[Java知识库]ArrayList线程安全问题以及解决方案

1. 多线程下的ArrayList

public class ConcurrentArrayList {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();

        Runnable runnable = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                list.add(i);
            }
        };
        
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        
        Thread.sleep(500);
        System.out.println(list.size());
    }
}

上述运行可能会出现
代码中循环创建了两个线程，这两个线程都执行10000次数组的添加操作，理论上最后输出的结果应该为20000，但经过多次尝试，最后只出现了两种结果：

1.数组索引越界异常
2.list.size()不为20000

看一下add()方法的代码：

	
    public boolean add(E e) {
    	// 确保ArrayList的长度足够
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        // ArrayList加入
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    
	private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        if (elementData == 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);
    }
    
    // 如果超过界限 数组长度增长
    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);
    }

在上述过程中,会出问题的部分在于: 1. 增加元素 2. 扩充数组长度;

增加元素过程中较为容易出现问题的部分在于elementData[size++] = e;.赋值的过程可以分为两个步骤elementData[size] = e;size++;

我们分别使用两个线程来模拟插入过程.例如有两个线程,分别加入数字1与2.

运行的过程如下所示:

线程1 赋值 element[1] = 1; 随后因为时间片用完而中断;
线程2 赋值 element[1] = 2; 随后因为时间片用完中断;
此处导致了之前所说的一个问题(有的线程没有输出); 因为后续的线程将前面的线程的值覆盖了.
线程1 自增 size++; (size=2)
线程2 自增 size++; (size=3)
此处导致了某些值为null的问题.因为原size=1, 但是因为线程1与线程2都将值赋值给了element[1],导致了element[2]内没有值,被跳过了.指针index指向了3.所以,导致了某些情况下值为null的情况.

产生了null值 以及数据丢失的问题

数组越界情况. 我们将上方的线程运行图更新下进行演示:

前提条件: 当前size=2 数组长度为2.

线程1 判断数组是否越界.因为size=2 长度为2,没有越界.将进行赋值操作.但是因为时间片问题导致了中断.
线程2 判断数组是否越界.因为size=2 长度为2,没有越界.将进行赋值操作.但是因为时间片问题导致了中断.
线程1 重新获取到主动权.上文判断了长度刚刚好够用.进行赋值操作element[size]=1,并且size++
线程2 因为上文判断了数组没有越界.所以进行赋值操作.但是此时的size=3了.再执行element[3]=2. 导致了数组越界了.
由此处可以看出因为数组的当前指向size并未进行加锁的操作,导致了数组越界的情况出现.

核心问题就在于 elementData[size++] = e;不是原子操作

2.线程安全的list解决方案：

有三种方式:

1. vector 在add方法上加上synchronized锁

2. Collections的静态方法synchronizedList(List< T> list)

3. copyonwritearraylist写时复制的思想

1.使用Vector容器

Vector类实现了可扩展的对象数组，并且它是线程安全的。Vector的解决方案很简单,它采用了同步关键词synchronized修饰方法。

public void add(int index, E element) {
    insertElementAt(element, index);
}
...
// 使用了synchronized关键词修饰
public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) {
        modCount++;
        if (index > elementCount) {
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                                     + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }

可以看出，Vector在通用方法的实现上ArrayList并没有什么区别（这里不比较扩容方式等细节）

2. Collections.synchronizedList(List< T> list)

/**
     * Returns a synchronized (thread-safe) list backed by the specified
     * list.  In order to guarantee serial access, it is critical that
     * <strong>all</strong> access to the backing list is accomplished
     * through the returned list.<p>
     *
     * It is imperative that the user manually synchronize on the returned
     * list when iterating over it:
     * <pre>
     *  List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
     *      ...
     *  synchronized (list) {
     *      Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
     *      while (i.hasNext())
     *          foo(i.next());
     *  }
     * </pre>
     * Failure to follow this advice may result in non-deterministic behavior.
     *
     * <p>The returned list will be serializable if the specified list is
     * serializable.
     *
     * @param  <T> the class of the objects in the list
     * @param  list the list to be "wrapped" in a synchronized list.
     * @return a synchronized view of the specified list.
     */
    public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
        return (list instanceof RandomAccess ?
                new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
                new SynchronizedList<>(list));
    }

因为ArrayList实现了RandomAccess接口，因此该方法返回一个SynchronizedRandomAccessList实例。
该类的add实现：

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

其中，mutex是final修饰的一个对象：

final Object mutex;

我们可以看到，这种线程安全容器是通过同步代码块来实现的，基础的add方法任然是由ArrayList实现。

我们再来看看它的读方法：

public E get(int index) {
    synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}

和写方法没什么区别，同样是使用了同步代码块。线程同步的实现原理非常简单！

通过上面的分析可以看出，无论是读操作还是写操作，它都会进行加锁，当线程的并发级别非常高时就会浪费掉大量的资源，因此某些情况下它并不是一个好的选择。针对这个问题，我们引出第三种线程安全容器的实现。

3. CopyOnWriteArrayList

CopyOnwriteArrayList 实现了 读 读操作和 读写操作不互斥

实现

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock
    lock.lock();
    try{
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //复制数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //赋值
        newElements[len] = e;
        //再把引用变为 这个新复制的数组 也就是覆盖原数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    
}

可以看到是通过JUC包下的lock来实现线程间的同步的，

怎么实现读写不互斥的呢？

在面临写操作的时候，CopyOnwriteArrayList会先复制原来的数组并且在新数组上进行修改，最后再将原数组覆盖。如果写操作过程中发生了线程切换。并且切换到读线程，因为此时数组并未发生覆盖，读操作读取的还是原数组。

另外，数组定义private transient volatile Object[] array，其中采用volatile修饰，保证内存可见性，读取线程可以马上知道这个修改。

private transient volatile Object[] array;

也就是说当读写并发时 读操作是在旧数组中 读到的旧值。

三种方式的性能比较

1. 首先我们来看看三种方式在写操作的情况：

public class ConcurrentList {
    public static void main(String[] args) {
        testVector();
        testSynchronizedList();
        testCopyOnWriteArrayList();
    }

    private static void testVector() {

        Vector vector = new Vector();
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            vector.add(i);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("vector: "+(time2-time1));

    }

    public static void testSynchronizedList(){
        List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            list.add(i);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("synchronizedList: "+(time2-time1));
    }

    public static void testCopyOnWriteArrayList(){
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            list.add(i);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("copyOnWriteArrayList: "+(time2-time1));
    }

}

在代码中我让Vector和SynchronizedList两种实现方式进行写操作10000000次，而CopyOnWriteArrayList仅仅只有100000次，与前两种方式少了100倍！但是耗时缺差不多

第三种方式使用的时间远大于前两种，写操作越多，时间差就越明显。

看似出乎意料，实则意料之中，copyOnWriteArrayList每进行一次写操作都会复制一次数组，这是非常耗时的操作，因此在面临巨大的写操作量时才会差异这么大。

而对于 vector和SynchronizedList的性能上的差别 主要是由于synchronized加载实例方法和加载代码块上的差别引起的，同步方法直接在方法上加synchronized实现加锁，同步代码块则在方法内部加锁，很明显，同步方法锁的范围比较大，而同步代码块范围要小点，一般同步的范围越大，性能就越差，一般需要加锁进行同步的时候，肯定是范围越小越好，这样性能更好。

如果开两个线程的情况下

public class ConcurrentList {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testVector();
        testSynchronizedList();
        testCopyOnWriteArrayList();
    }

    private static void testVector() throws InterruptedException {
        Vector vector = new Vector();
        Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();

        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
                    vector.add(i);
                }
                semaphore.release();

            }
        };

        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        semaphore.acquire(2);
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("vector: "+(time2-time1));

    }

    public static void testSynchronizedList() throws InterruptedException {
        List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
        Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
                    list.add(i);
                }
                semaphore.release();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        semaphore.acquire(2);
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("synchronizedList: "+(time2-time1));
    }

    public static void testCopyOnWriteArrayList() throws InterruptedException {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                    list.add(i);
                }
                semaphore.release();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        semaphore.acquire(2);
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("copyOnWriteArrayList: "+(time2-time1));
    }

}

vector和synchorinzedList性能差不多

2. 我们再来看看三种方式在读操作的情况：

public class ConcurrentList2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testVector();
        testSynchronizedList();
        testCopyOnWriteArrayList();
    }

    public static void testVector() throws InterruptedException {
        Vector<Integer> vector = new Vector<>();
        vector.add(0);
        Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
                    vector.get(0);
                }
                semaphore.release(1);
            }
        };
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        semaphore.acquire(2);
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("vector: "+(time2-time1));
    }

    public static void testSynchronizedList() throws InterruptedException {
        List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
        list.add(0);
        Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
                    list.get(0);
                }
                semaphore.release(1);
            }
        };
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        semaphore.acquire(2);
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("synchronizedList: "+(time2-time1));
    }

    public static void testCopyOnWriteArrayList() throws InterruptedException {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add(0);
        Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
                    list.get(0);
                }
                semaphore.release(1);
            }
        };
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
        semaphore.acquire(2);
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("copyOnWriteArrayList: "+(time2-time1));
    }
}

测试方式不严谨哈 读写并发就不测了

可以看出 CopyOnWriteArrayList由于读不加锁 在读的性能上 非常好

总结

1. 获取线程安全的List我们可以通过Vector、Collections.synchronizedList()方法和CopyOnWriteArrayList三种方式
2. 得益于读写不冲突，以及读不加锁，在读多写少的情况下，推荐使用CopyOnWriteArrayList方式

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