Java 集合：（番外篇一） ArrayList线程不安全性

一、ArrayList 线程不安全性

　　ArrayList 线程不安全案例：

public class TestArrayList {
    private static List<Integer> list = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            testList();
            list.clear();
        }
    }

    private static void testList() throws InterruptedException {
        Runnable runnable = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                list.add(i);
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(runnable);
        Thread t2 = new Thread(runnable);
        Thread t3 = new Thread(runnable);

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(list.size());
    }
}

　　运行结果：这是它的输出结果，我们期望的结果应该都是：30000，然后并不是，这就是传说中的多线程并发问题了。

　　

二、可能导致的问题

　　从以上结果可以总结出 ArrayList 在并发情况下会出现的几种现象。

　　1、发生 ArrayIndexOutOfBoundsException 异常

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

 　　通过源码可以看出：ArrayList的实现主要就是用了一个Object的数组，用来保存所有的元素，以及一个size变量用来保存当前数组中已经添加了多少元素。

　　执行add方法时，主要分为两步：

• • 　首先判断elementData数组容量是否满足需求——》判断如果将当前的新元素加到列表后面，列表的elementData数组的大小是否满足，如果size + 1的这个需求长度大于了elementData这个数组的长度，那么就要对这个数组进行扩容；
  • 　之后在elementData对应位置上设置元素的值。

　　由于ArrayList添加元素是如上面分两步进行，可以看出第一个不安全的隐患，在多个线程进行add操作时可能会导致elementData数组越界。
　　具体逻辑如下：

1.列表大小为9，即size=9
2.线程A开始进入add方法，这时它获取到size的值为9，调用ensureCapacityInternal方法进行容量判断。
3.线程B此时也进入add方法，它获取到size的值也为9，也开始调用ensureCapacityInternal方法。
4.线程A发现需求大小为10，而elementData的大小就为10，可以容纳。于是它不再扩容，返回。
5.线程B也发现需求大小为10，也可以容纳，返回。
6.线程A开始进行设置值操作， elementData[size++] = e 操作。此时size变为10。
7.线程B也开始进行设置值操作，它尝试设置elementData[10] = e，而elementData没有进行过扩容，它的下标最大为9。于是此时会报出一个数组越界的异常ArrayIndexOutOfBoundsException.

定位到异常所在源代码，毫无疑问，问题是出现在多线程并发访问下，由于没有同步锁的保护，造成了 ArrayList 扩容不一致的问题。

　　2、程序正常运行，输出了少于实际容量的大小；

这个也是多线程并发赋值时，对同一个数组索引位置进行了赋值，所以出现少于预期大小的情况。

　　3、程序正常运行，输出了预期容量的大小；

这是正常运行结果，未发生多线程安全问题，但这是不确定性的，不是每次都会达到正常预期的。

　　4、元素值覆盖和为空问题

elementData[size++] = e 设置值的操作同样会导致线程不安全。从这儿可以看出，这步操作也不是一个原子操作，它由如下两步操作构成：

elementData[size] = e;
size = size + 1;

在单线程执行这两条代码时没有任何问题，但是当多线程环境下执行时，可能就会发生一个线程的值覆盖另一个线程添加的值，具体逻辑如下：

1.列表大小为0，即size=0
2.线程A开始添加一个元素，值为A。此时它执行第一条操作，将A放在了elementData下标为0的位置上。
3.接着线程B刚好也要开始添加一个值为B的元素，且走到了第一步操作。此时线程B获取到size的值依然为0，于是它将B也放在了elementData下标为0的位置上。
4.线程A开始将size的值增加为1
5.线程B开始将size的值增加为2

这样线程AB执行完毕后，理想中情况为size为2，elementData下标0的位置为A，下标1的位置为B。而实际情况变成了size为2，elementData下标为0的位置变成了B，下标1的位置上什么都没有。并且后续除非使用set方法修改此位置的值，否则将一直为null，因为size为2，添加元素时会从下标为2的位置上开始。

　　案例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ArrayListSafeTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        final List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        // 线程A将1-1000添加到列表
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1; i < 1000; i++) {
                    list.add(i);

                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }

        }).start();
        
        // 线程B将1001-2000添加到列表
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1001; i < 2000; i++) {
                    list.add(i);

                    try {
                        Thread.sleep(1); 
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }

        }).start();
        
        Thread.sleep(1000);

        // 打印所有结果
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("第" + (i + 1) + "个元素为：" + list.get(i));
        }
    }
}

执行过程中，两种情况出现如下：

　　

　　 

　　5、

三、解决方案

　　　　那么在高并发情况下，使用什么样的列表集合保护线程安全呢？

　　　　另外，像 HashMap, HashSet 等都有类似多线程安全问题，在多线程并发环境下避免使用这种集合。

四、线程安全的 List 

　　　既然 ArrayList 是线程不安全的，怎么保证它的线程安全性呢？或者有什么替代方案？

　　1、Vector

　　　　使用Vector，但是这种效率也是比较慢的，会对整个方法加 synchronized，效率比较低。

　　2、java.util.Collections.SynchronizedList

　　　　java.util.Collections.SynchronizedList

　　　　它能把所有 List 接口的实现类转换成线程安全的List，比 Vector 有更好的扩展性和兼容性。　

　　　　SynchronizedList的构造方法如下：

final List<E> list;

SynchronizedList(List<E> list) {
    super(list);
    this.list = list;
}

　　　　SynchronizedList的部分方法源码如下：

public E get(int index) {
    synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}
public E set(int index, E element) {
    synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
}
public void add(int index, E element) {
    synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
    synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}

　　　　很可惜，它所有方法都是带同步对象锁的，和 Vector 一样，它不是性能最优的。

　　　　比如在读多写少的情况，SynchronizedList这种集合性能非常差，还有没有更合适的方案？

　　3、java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList&java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet

　　　　介绍两个并发包里面的并发集合类：

java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList
java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet

　　　　CopyOnWrite集合类也就这两个，Java 1.5 开始加入，你要能说得上这两个才能让面试官信服。

　　4、CopyOnWriteArrayList

　　　　CopyOnWrite（简称：COW）：即复制再写入，就是在添加元素的时候，先把原 List 列表复制一份，再添加新的元素。

　　　　先来看下它的 add 方法源码：

public boolean add(E e) {
    // 加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 获取原始集合
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;

        // 复制一个新集合
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;

        // 替换原始集合为新集合
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

　　　　添加元素时，先加锁，再进行复制替换操作，最后再释放锁。

　　　　再来看下它的 get 方法源码：

private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

　　　　可以看到，获取元素并没有加锁。

　　　　这样做的好处是，在高并发情况下，读取元素时就不用加锁，写数据时才加锁，大大提升了读取性能。

　　5、CopyOnWriteArraySet

　　　　CopyOnWriteArraySet逻辑就更简单了，就是使用 CopyOnWriteArrayList 的 addIfAbsent 方法来去重的，添加元素的时候判断对象是否已经存在，不存在才添加进集合。

/**
 * Appends the element, if not present.
 *
 * @param e element to be added to this list, if absent
 * @return {@code true} if the element was added
 */
public boolean addIfAbsent(E e) {
    Object[] snapshot = getArray();
    return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
        addIfAbsent(e, snapshot);
}

　　　　这两种并发集合，虽然牛逼，但只适合于读多写少的情况，如果写多读少，使用这个就没意义了，因为每次写操作都要进行集合内存复制，性能开销很大，如果集合较大，很容易造成内存溢出。

　　6、使用ThreadLocal

　　　　使用ThreadLocal变量确保线程封闭性(封闭线程往往是比较安全的， 但由于使用ThreadLocal封装变量，相当于把变量丢进执行线程中去，每new一个新的线程，变量也会new一次，一定程度上会造成性能[内存]损耗，但其执行完毕就销毁的机制使得ThreadLocal变成比较优化的并发解决方案)。

ThreadLocal<List<Object>> threadList = new ThreadLocal<List<Object>>() {
    @Override
    protected List<Object> initialValue() {
          return new ArrayList<Object>();
    }
};

五、小结

下次面试官问你线程安全的 List，你可以从 Vector > SynchronizedList > CopyOnWriteArrayList 这样的顺序依次说上来，这样才有带入感，也能体现你对知识点的掌握程度。