多線程場景下使用 ArrayList，這幾點(diǎn)一定要注意！

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作者：雪山上的蒲公英

www.cnblogs.com/zjfjava/p/10217720.html

ArrayList 不是線程安全的，這點(diǎn)很多人都知道，但是線程不安全的原因及表現(xiàn)，怎么在多線程情況下使用ArrayList，可能不是很清楚，這里總結(jié)一下。

1. 源碼分析

查看 ArrayList 的 add 操作源碼如下：

/**
?????*?Appends?the?specified?element?to?the?end?of?this?list.
?????*
?????*?@param?e?element?to?be?appended?to?this?list
?????*?@return?true?(as?specified?by?{@link?Collection#add})
?????*/
????public?boolean?add(E?e)?{
??????//?判斷列表的capacity容量是否足夠，是否需要擴(kuò)容
????????ensureCapacityInternal(size?+?1);??//?Increments?modCount!!
????????//?將元素添加進(jìn)列表的元素?cái)?shù)組里面
??????elementData[size++]?=?e;
????????return?true;
????}

源碼中涉及的幾個(gè)元素及方法定義如下：

/**
?????*?Default?initial?capacity.
?????*/
????private?static?final?int?DEFAULT_CAPACITY?=?10;
????/**
????*?列表元素集合數(shù)組
?????*?如果新建ArrayList對(duì)象時(shí)沒有指定大小，那么會(huì)將EMPTY_ELEMENTDATA賦值給elementData，
?????*?并在第一次添加元素時(shí)，將列表容量設(shè)置為DEFAULT_CAPACITY?
???*/
????transient?Object[]?elementData;?

????/**
???*列表大小，elementData中存儲(chǔ)的元素個(gè)數(shù)
???*/
????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);
????}

通過源碼可以看出：ArrayList的實(shí)現(xiàn)主要就是用了一個(gè)Object的數(shù)組，用來保存所有的元素，以及一個(gè)size變量用來保存當(dāng)前數(shù)組中已經(jīng)添加了多少元素。

執(zhí)行add方法時(shí)，主要分為兩步：

• 首先判斷elementData數(shù)組容量是否滿足需求——》判斷如果將當(dāng)前的新元素加到列表后面，列表的elementData數(shù)組的大小是否滿足，如果size + 1的這個(gè)需求長度大于了elementData這個(gè)數(shù)組的長度，那么就要對(duì)這個(gè)數(shù)組進(jìn)行擴(kuò)容；
• 之后在elementData對(duì)應(yīng)位置上設(shè)置元素的值。

2. 線程不安全的兩種體現(xiàn)

2.1 數(shù)組越界異常 ArrayIndexOutOfBoundsException

由于ArrayList添加元素是如上面分兩步進(jìn)行，可以看出第一個(gè)不安全的隱患，在多個(gè)線程進(jìn)行add操作時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致elementData數(shù)組越界。

具體邏輯如下：

1. 列表大小為9，即size=9
2. 線程A開始進(jìn)入add方法，這時(shí)它獲取到size的值為9，調(diào)用ensureCapacityInternal方法進(jìn)行容量判斷。
3. 線程B此時(shí)也進(jìn)入add方法，它獲取到size的值也為9，也開始調(diào)用ensureCapacityInternal方法。
4. 線程A發(fā)現(xiàn)需求大小為10，而elementData的大小就為10，可以容納。于是它不再擴(kuò)容，返回。
5. 線程B也發(fā)現(xiàn)需求大小為10，也可以容納，返回。
6. 線程A開始進(jìn)行設(shè)置值操作， elementData[size++] = e 操作。此時(shí)size變?yōu)?0。
7. 線程B也開始進(jìn)行設(shè)置值操作，它嘗試設(shè)置elementData[10] = e，而elementData沒有進(jìn)行過擴(kuò)容，它的下標(biāo)最大為9。于是此時(shí)會(huì)報(bào)出一個(gè)數(shù)組越界的異常ArrayIndexOutOfBoundsException.

2.2 元素值覆蓋和為空問題

elementData[size++] = e 設(shè)置值的操作同樣會(huì)導(dǎo)致線程不安全。從這兒可以看出，這步操作也不是一個(gè)原子操作，它由如下兩步操作構(gòu)成：

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

在單線程執(zhí)行這兩條代碼時(shí)沒有任何問題，但是當(dāng)多線程環(huán)境下執(zhí)行時(shí)，可能就會(huì)發(fā)生一個(gè)線程的值覆蓋另一個(gè)線程添加的值，具體邏輯如下：

1. 列表大小為0，即size=0
2. 線程A開始添加一個(gè)元素，值為A。此時(shí)它執(zhí)行第一條操作，將A放在了elementData下標(biāo)為0的位置上。
3. 接著線程B剛好也要開始添加一個(gè)值為B的元素，且走到了第一步操作。此時(shí)線程B獲取到size的值依然為0，于是它將B也放在了elementData下標(biāo)為0的位置上。
4. 線程A開始將size的值增加為1
5. 線程B開始將size的值增加為2

這樣線程AB執(zhí)行完畢后，理想中情況為size為2，elementData下標(biāo)0的位置為A，下標(biāo)1的位置為B。而實(shí)際情況變成了size為2，elementData下標(biāo)為0的位置變成了B，下標(biāo)1的位置上什么都沒有。并且后續(xù)除非使用set方法修改此位置的值，否則將一直為null，因?yàn)閟ize為2，添加元素時(shí)會(huì)從下標(biāo)為2的位置上開始。

3. 代碼示例

如下，通過兩個(gè)線程對(duì)ArrayList添加元素，復(fù)現(xiàn)上面的兩種不安全情況。

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

public?class?ArrayListSafeTest?{

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

????????final?List?list?=?new?ArrayList();
????????//?線程A將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();
????????
????????//?線程B將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);

????????//?打印所有結(jié)果
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????System.out.println("第"?+?(i?+?1)?+?"個(gè)元素為："?+?list.get(i));
????????}
????}
}

執(zhí)行過程中，兩種情況出現(xiàn)如下：

4. ArrayList線程安全處理

4.1 Collections.synchronizedList

最常用的方法是通過 Collections 的 synchronizedList 方法將 ArrayList 轉(zhuǎn)換成線程安全的容器后再使用。

List