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ArrayList 不是线程安全的,这点很多人都知道,但是线程不安全的原因及表现,怎么在多线程情况下使用ArrayList,可能不是很清楚,这里总结一下。

1. 源码分析

查看 ArrayList 的 add 操作源码如下:

/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
     // 判断列表的capacity容量是否足够,是否需要扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
// 将元素添加进列表的元素数组里面
     elementData[size++] = e;
return true;
}

源码中涉及的几个元素及方法定义如下:

  /**
* Default initial capacity.
*/
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

   /**
   * 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;

 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}

ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
modCount++;

// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

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。

2. 线程不安全的两种体现

2.1 数组越界异常 ArrayIndexOutOfBoundsException

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.

2.2 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。

3. 代码示例

如下,通过两个线程对ArrayList添加元素,复现上面的两种不安全情况。

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:

4. ArrayList线程安全处理

4.1 Collections.synchronizedList

最常用的方法是通过 Collections 的 synchronizedList 方法将 ArrayList 转换成线程安全的容器后再使用。

List<Object> list =Collections.synchronizedList(new ArrayList<Object>);

4.2 为list.add()方法加锁

synchronized(list.get()) {
list.get().add(model);
}

4.3 CopyOnWriteArrayList

使用线程安全的 CopyOnWriteArrayList 代替线程不安全的 ArrayList。

List<Object> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Object>();

4.4 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>();
}
};
文章目录
  1. 1. 1. 源码分析
  2. 2. 2. 线程不安全的两种体现
    1. 2.1. 2.1 数组越界异常 ArrayIndexOutOfBoundsException
    2. 2.2. 2.2 元素值覆盖和为空问题
  3. 3. 3. 代码示例
  4. 4. 4. ArrayList线程安全处理
    1. 4.1. 4.1 Collections.synchronizedList
    2. 4.2. 4.2 为list.add()方法加锁
    3. 4.3. 4.3 CopyOnWriteArrayList
    4. 4.4. 4.4 使用ThreadLocal