面试官: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
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，面试官刚好问到这个。
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<String> 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<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(()->{
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 = 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);
}
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<String> list = new ArrayList<>();
换成
List<String> 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：
如果写操作未完成，那么直接读取原数组的数据；
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；
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：
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）
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<String> list = new Vector<>()
来替换
List<String> 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<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(()->{
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-
作者：洪生鹏 头条优质作者 10年软件开发经验，坚持不脱离一线。媒体合作、品牌宣传请加微信 : hongshengpeng2010
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