浅析Collections.synchronizedList实现原理及如何做到线程安全、实现线程安全2种方式CopyOnWriteArrayList与Collections.synchronizedList的读写性能对比

一、Collections.synchronizedList 实现原理及如何做到线程安全

　　大家都知道ArrayList并不是线程安全的，如果想要做到线程安全，我们可以使用 Collections.synchronizedList，但是使用 Collections.synchronizedList后是否真的就线程安全了？

1、Collections.synchronizedList 原理

　　我们先来看看Collections.synchronizedList 做了什么。

从源码来看，SynchronizedList 就是在 List的操作外包加了一层 synchronize 同步控制。

2、加了 Collections.synchronizedList 后，为什么还需要使用 synchronized ？

首先我们看官方文档，可以发现，当用户通过迭代器遍历返回列表时，必须手动同步:

It is imperative that the user manually synchronize on the returned list when traversing it via [Iterator]

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
      ...
  synchronized (list) {
      Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
      while (i.hasNext())
          foo(i.next());
  }

　　也就是说官方文档明确提出：对于使用 Iterator 遍历列表时，Collections.synchronizedList 可能发生错误。

　　那除了直接使用 Iterator 要加 synchronize 保证线程安全，还有什么情况会间接使用到 Iterator吗？那就是 for each增强for循环；

　　在使用 Iteratior 遍历的同时，异步修改List的结构，发现抛出了 ConcurrentModificationException 异常；

　　那怎么解决呢？官方文档说的很清楚，我们在迭代器遍历返回列表时，增加手动同步处理，下面是IteratorRunnable 修改后代码，仅仅是在外层加了 synchronized.

    static class IteratorRunnable implements Runnable {
       private List<Integer> list;
       public IteratorRunnable(List<Integer> synchronizeList) {
           this.list = synchronizeList;
       }
       @Override
       public void run() {
           while(true) {
               synchronized (list) {
                   for (Integer i : list) {
                       try {
                           TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                       } catch (InterruptedException e) {
                           e.printStackTrace();
                       }
                       System.out.println(i + ",");
                   }
               }
           }
       }
   }

　　从运行结果来看，增加了synchronized 后，不会出现ConcurrentModificationException异常了。

3、探究下for each Java的实现

　　我们先来看看.class文件中for each

　　看到这，我们就可以确定，其实JAVA中的增强for循环底层是通过iterator来实现的。

二、CopyOnWriteArrayList与Collections.synchronizedList的性能对比

　　列表实现有 ArrayList、Vector、CopyOnWriteArrayList、Collections.synchronizedList(list) 四种方式。

1、ArrayList

　　ArrayList是非线性安全，此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的：在创建迭代器之后，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改，否则在任何时间以任何方式对列表进行修改，迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。即在一方在遍历列表，而另一方在修改列表时，会报ConcurrentModificationException错误。而这不是唯一的并发时容易发生的错误，在多线程进行插入操作时，由于没有进行同步操作，容易丢失数据。

　　因此，在开发过程当中，ArrayList并不适用于多线程的操作。

2、Vector

　　从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，采用数组实现。其线程安全的实现方式是对所有操作都加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了，Stackoverflow当中有这样的描述： Why is Java Vector class considered obsolete or deprecated?。为什么 Java Vector（和 Stack）类被认为已过时或已弃用？

3、Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList

　　CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList 是实现线程安全的列表的两种方式。

　　两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现，其中 CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好。

　　而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。

　　因此在不同的应用场景下，应该选择不同的多线程安全实现类。

4、Collections.synchronizedList

　　Collections.synchronizedList的源码可知，其实现线程安全的方式是建立了list的包装类。

　　其中，SynchronizedList对部分操作加上了synchronized关键字以保证线程安全。但其iterator()操作还不是线程安全的。

5、CopyOnWriteArrayList

　　从字面可以知道，CopyOnWriteArrayList在线程对其进行些操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段。

　　其没有加任何同步关键字，根据以上写操作的代码可知，其每次写操作都会进行一次数组复制操作，然后对新复制的数组进行些操作，不可能存在在同时又读写操作在同一个数组上（不是同一个对象），而读操作并没有对数组修改，不会产生线程安全问题。

　　Java中两个不同的引用指向同一个对象，当第一个引用指向另外一个对象时，第二个引用还将保持原来的对象。

　　其中setArray()操作仅仅是对array进行引用赋值。Java中“=”操作只是将引用和某个对象关联，假如同时有一个线程将引用指向另外一个对象，一个线程获取这个引用指向的对象，那么他们之间不会发生ConcurrentModificationException，他们是在虚拟机层面阻塞的，而且速度非常快，是一个原子操作，几乎不需要CPU时间。

　　在列表有更新时直接将原有的列表复制一份，并再新的列表上进行更新操作，完成后再将引用移到新的列表上。旧列表如果仍在使用中(比如遍历)则继续有效。如此一来就不会出现修改了正在使用的对象的情况(读和写分别发生在两个对象上)，同时读操作也不必等待写操作的完成，免去了锁的使用加快了读取速度。