ArrayList 线程不安全

一、为什么ArrayList线程不安全

为什么说ArrayList是线程不安全的

浅谈ArrayList动态扩容【代码分析很详细】-ArrayList扩容为原来的1.5倍，Vector是原来的2倍

源码分析-这个类所拥有的部分属性字段

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
        {
    /**
     * 列表元素集合数组
     * 如果新建ArrayList对象时没有指定大小，那么会将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData，
     * 并在第一次添加元素时，将列表容量设置为DEFAULT_CAPACITY 
     */
    transient Object[] elementData; 
 
    /**
     * 列表大小，elementData中存储的元素个数
     */
    private int size;
}

所以通过这两个字段我们可以看出，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。

源码分析-最重要的add操作

public boolean add(E e) {
 
    /**
     * 添加一个元素时，做了如下两步操作
     * 1.判断列表的capacity容量是否足够，是否需要扩容
     * 2.真正将元素放在列表的元素数组里面
     */
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

ensureCapacityInternal()它的作用就是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。

由此看到add元素时，实际做了两个大的步骤：

1. 判断elementData数组容量是否满足需求
2. 在elementData对应位置上设置值

这样也就出现了2种线程不安全隐患：

一、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。

二、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：

1. elementData[size] = e;
2. 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。

二、ArrayList线程不安全为什么还要使用

这个ArrayList比线程安全的Vector效率高。Vector较ArrayList增加了sync锁，并发差。

三、如何解决线程不安全？

1. 使用synchronized关键字或Vector类
2. 使用Collections.synchronizedList();
3. 使用CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList;【写时复制】

CopyOnWriteArrayList为什么能解决这个问题呢？CopyOnWrite容器即写时复制的容器。往一个容器添加元素时，不直接往当前容器Object[]添加，而是先将当前容器Object[]进行copy，复制出一个新的容器Object[] newElements，然后新的容器newElements里添加元素，之后再将原容器的引用指向新容器setArray(newElements)，这个过程是需要并发写，需要加锁，这样做的好处是可以对CopyOnWrite容器进行并发读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写在不同容器进行。 CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。

public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

CopyOnWriteArrayList注意事项

1. CopyOnWriteArrayList不能使用Iterator.remove()进行删除。
2. CopyOnWriteArrayList使用Iterator且使用List.remove(Object);会出现如下异常： java.lang.UnsupportedOperationException。
3. CopyOnWriteArraySet底层数据结构还是用的CopyOnWriteArrayList

我们只需要记住一句话，那就是CopyOnWriteArrayList是线程安全的，所以我们在多线程的环境下面需要去使用这个就可以了。

额外说下 ArrayList与LinkedList；这两个都是接口List下的一个实现，用法都一样，但用的场所的有点不同，ArrayList适合于进行大量的随机访问的情况下使用，LinkedList适合在表中进行插入、删除时使用，二者都是非线程安全，解决方法同上。