多线程场景下如何使用 ArrayList

ArrayList 不是线程安全的，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，这里总结一下

1. 源码分析

查看 ArrayList 的 add 操作源码如下

public void add(E e) {
            checkForComodification();

            try {
                int i = cursor;
                ArrayList.this.add(i, e);
                cursor = i + 1;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

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。

案例一

  @Test
    public void ArrayListSafeTest () throws InterruptedException {
        final List<Integer> list = new ArrayList<>();
        // 线程A将1-999添加到列表
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
              System.out.println("线程A");
                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() {
                System.out.println("线程B");
                for (int i=1000;i<=3000;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));
        }
    }

2040之后的值没有

案例二

@Test
    public void ArrayListSafeTest2() throws InterruptedException {
        //List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new LinkedList<Integer>());
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
       // List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        // List<Integer> list = new LinkedList<>();
        // 线程A将1-999添加到列表
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程A");
                for (int i=1;i<500;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() {
                System.out.println("线程B");
                for (int i=500;i<=1000;i++){
                    list.add(i);
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }
        }).start();
        // 线程C修改
        new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程C:修改");
                for (int i=1;i<=10;i++){
                    if(i==5){
                        list.set(5,8888);
                    }

                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } ).start();

        Thread.sleep(1000);
        // 打印所有结果
        System.out.println("大小："+list.size());
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("第" + (i + 1) + "个元素为：" + list.get(i));

        }
    }

案例三

 @Test
    public void ArrayListSafeTest2() throws InterruptedException {
        //List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new LinkedList<Integer>());
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
       // List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        // List<Integer> list = new LinkedList<>();
        // 线程A将1-999添加到列表
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程A");
                for (int i=1;i<500;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() {
                System.out.println("线程B");
                for (int i=500;i<=1000;i++){
                    list.add(i);
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }
        }).start();
        // 线程C修改
        new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程C:修改");
                for (int i=1;i<=10;i++){
                    if(i==5){
                        list.set(5,8888);
                    }

                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } ).start();

        // 线程D修改
        new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程D:修改");
                Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
                while (iterator.hasNext()){
                    Integer next = iterator.next();
                    if(next==100){
                        iterator.remove();
                    }
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }
        } ).start();

        Thread.sleep(1000);
        // 打印所有结果
        System.out.println("大小："+list.size());
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("第" + (i + 1) + "个元素为：" + list.get(i));

        }
    }

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>();
         }
 };

案例一

 @Test
    public void ArrayListSafeTest2() throws InterruptedException {
        //List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new LinkedList<Integer>());
        //List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
        List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        // List<Integer> list = new LinkedList<>();
        // 线程A将1-999添加到列表
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程A");
                for (int i=1;i<500;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() {
                System.out.println("线程B");
                for (int i=500;i<=1000;i++){
                    list.add(i);
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            }
        }).start();
        // 线程C修改
        new Thread(new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程C:修改");
                for (int i=1;i<=10;i++){
                    if(i==5){
                        list.set(5,8888);
                    }

                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } ).start();

        Thread.sleep(1000);
        // 打印所有结果
        System.out.println("大小："+list.size());
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println("第" + (i + 1) + "个元素为：" + list.get(i));

        }
    }

5.遍历删除元素的三种方式

5.1

/*第一种方式，基本原理是，每次list删除元素后，后面的元素都要往前移动一位，就相当于i多加了1，

remove后继续遍历就会错过一个元素，所以就需要代码中的i--，抵消remove后，后面元素前移一位的影响*/

  @Test
    public void ForArrayList1() {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(3);
        list.add("A");
        list.add("B");
        list.add("C");
        list.add("C");
        list.add("D");
        list.add("E");

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(i);
            if(list.get(i).equals("C")){
                list.remove(list.get(i));
                i--;
            }
        }
        System.out.println(list.toString());
    }

5.2

/*第二种方式，按索引从大到小，这样remove方法的删除元素导致的后面的元素往前移动一位

对遍历就没有影响了*/

  @Test
    public void ForArrayList2() {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(3);
        list.add("A");
        list.add("B");
        list.add("C");
        list.add("C");
        list.add("D");
        list.add("E");

        for (int i = list.size()-1; i >=0; i--) {
            System.out.println(i);
            if(list.get(i).equals("C")){
                list.remove(list.get(i));
            }
        }
        System.out.println(list.toString());
    }

5.3

/*第三种方式，基本思想和第一种相似，不同的是，是用Itr对象，内含两个指针cursor和lastRet实现的，

如果调用remove，相当于cursor回退了一位，和第一种的i--思想有些像，想了解的更清楚，可以去看源码*/

@Test
    public void ForArrayList3() {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(3);
        list.add("A");
        list.add("B");
        list.add("C");
        list.add("C");
        list.add("D");
        list.add("E");

        Iterator<String> iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            String next = iterator.next();
            if("C".equals(next)){
                iterator.remove();
            }
        }
        System.out.println(list.toString());
    }

posted on 2019-08-29 10:03 源无极阅读(2937) 评论(1) 编辑收藏举报

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