面试官:你都工作3年了,怎么连ArrayList是线程不安全都没有搞清楚

作为一名java程序员，对ArrayList，相信再熟悉不过了。这个类我们平时接触得最多的一个列表集合类。

面试时，也有不少面试官会针对此知识点考察求职者。

小爱最近又去面试了，最近到某知名互联网公司面试，做了笔试题后，面试官刚好问ArrayList是线程安全还是非线程安全？

小爱说是非线程安全，面试官问，你能说说为什么是非线程安全吗？

小爱一时间说不出个所以然。

面试官说：你都工作3年了,怎么连ArrayList是否为线程不安全都没有搞清楚

小爱感觉这次面试要黄了，类似这样的问题平时应该要掌握好才对。

01、线程安全和线程不安全

首先，我们来弄清楚两个概念：

什么是线程安全、什么是线程不安全

线程安全：指当多线程访问时，采用了加锁的机制；即当一个线程访问该类的某个数据时，会对这个数据进行保护，其他线程不能对其访问，直到该线程读取完之后，其他线程才可以使用。防止出现数据不一致或者数据被污染等意外情况。

线程不安全：就是不提供数据访问时的数据保护，多个线程能够同时操作某个数据，从而出现数据不一致或者数据污染等意外情况。

02、为什么ArrayList是线程不安全？

我们在多线程情况下用 List list = new ArrayList<>();

在add(param)添加信息经常会遇到
ConcurrentModificationException这样的异常。

我们写个例子来验证下。

public?static?void?main(String[]?args){
???List?list?=?new?ArrayList<>();
????for?(int?i?=?0;?i?{
????????????????list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,?6));
????????????????System.out.print(list);
????????????????System.out.print("\n");
????????},String.valueOf(i)).start();
????}
}

咋一看，程序没什么问题，运行有时候也是正常的，但运行几次就会抛出
ConcurrentModificationException这样的异常。

我们来看下 ArrayList的add方法具体做了什么。

??public?boolean?add(E?e)?{
?????/*
??????添加一个元素时，主要做了两步操作
??????1.判断列表的capacity容量是否足够，是否需要扩容
??????2.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()这个方法具体是做什么的，我们跟进去看看

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?=?hugeCapacity(minCapacity);
????//?minCapacity?is?usually?close?to?size,?so?this?is?a?win:
????elementData?=?Arrays.copyOf(elementData,?newCapacity);
??}

从源码我们可以知道，但size + 1的这个需求长度大于了elementData这个数组的长度，那么这个数组就要进行扩容。

通过分析可以得出，ArrayList在多线程环境下是不安全的，那么问题来了，ArrayList不安全为什么要使用

03、ArrayList不安全为什么要使用？

ArrayList效率还是挺高的，譬如比线程安全的Vector效率要高很多。

04、如何解决线程不安全？

解决方法也有很多种方式

• CopyOnWriteArrayList
• Vector
• Collections.synchronizedList
• synchronized

等

把

?List?list?=?new?ArrayList<>();?

换成

?List?list?=?new?CopyOnWriteArrayList<>();?

试试。

那么CopyOnWriteArrayList如何做到线程安全的？

CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，

当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList时，

先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，

写完之后，再将原来的数组引用指向到新数组。

当有新元素add时，如下图，创建新数组，

并往新数组中add一个新元素,这时候，array这个引用仍然是指向原数组的。

当元素在新数组添加成功后，将array这个引用指向新数组。

CopyOnWriteArrayList的add操作都是在锁的保护下进行的。 这样做是为了避免在多线程并发add的时候，复制出多个副本出来,把数据搞乱了，导致数组数据错乱。

CopyOnWriteArrayList的add操作的源代码如下：

?public?boolean?add(E?e)?{
????//加锁
????final?ReentrantLock?lock?=?this.lock;
????lock.lock();//确保同一时间只有一个线程在操作
????try?{
????????Object[]?elements?=?getArray();
????????int?len?=?elements.length;
????????//复制数组
????????Object[]?newElements?=?Arrays.copyOf(elements,?len?+?1);
????????//将元素加入到新数组
????????newElements[len]?=?e;
????????//指向到新数组
????????setArray(newElements);
????????return?true;
????}?finally?{
????????//解锁
????????lock.unlock();
????}
}

从源码中我们可以得知写操作是在新的数组进行的，这时候如果有线程并发地写，则通过锁来控制，如果有线程并发地读取数据，则要具体问题具体分析：

1. 如果写操作未完成，那么直接读取原数组的数据；
2. 如果写操作已完成，但是引用还未指向新数组，那么读取的还是原数组的数据；
3. 如果写操作已完成，且引用已指向了新数组，那么读取的是新数组的数据。

通过上面的梳理，我们可以留意到CopyOnWriteArrayList有下面的不足：

1. 由于写操作需要拷贝数组，会消耗内存，在原数组的内容较多的情况下，可能导致年轻代（Young Generation）或者年老代（Old Generation）
2. 对于实时读体验一般，像拷贝数组、新增元素都需要一定的时间，可能在调用一个set操作后，读取到数据还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能保证数据最终的一致性，不能保证数据的实时一致性。

CopyOnWriteArrayList有一个很好的思想，那就是读写分离，读和写分开。这种思想还是挺值得我们借鉴的。

我们再用

Vector?list?=?new?Vector<>()

来替换

List?list?=?new?ArrayList<>()

程序同样正常编译通过。

对于上面的程序，我们也可以用synchronized ，synchronized可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块。

?public?static?void?main(String[]?args){
????List?list?=?new?ArrayList<>();
????for?(int?i?=?0;?i?{
????????????synchronized?(ArrayListDemo.class)?{
????????????????list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,?6));
????????????????System.out.print(list);
????????????????System.out.print("\n");
????????????}
????????},String.valueOf(i)).start();
????}
}

关于ArrayList线程不安全的知识点本节就先简单分析到这。由于笔者水平有限,文中错漏缺点在所难免,希望读者批评指正。

-END-

文|洪生鹏