ArrayList的多线程场景，如何避坑?
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2021-02-12 15:30
不点蓝字，我们哪来故事？
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：
列表大小为9，即size=9 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。 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。 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。 线程B也发现需求大小为10，也可以容纳，返回。 线程A开始进行设置值操作， elementData[size++] = e 操作。此时size变为10。 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：
列表大小为0，即size=0 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。 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。 线程A开始将size的值增加为1 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>();
}
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