面试官问 : ArrayList 不是线程安全的,为什么 ?(看完这篇,以后反问面试官)
创始人
2025-05-29 20:50:02
0次

前言

金三银四 ?

也许,但是。

近日,又收到金三银四一线作战小队成员反馈的战况 :

我不管你从哪里看的面经,但是我不允许你看到我这篇文章之后,还不清楚这个面试问题。

本篇内容预告:
 

ArrayList 是线程不安全的, 为什么 ?

① 结合代码去探一探所谓的不安全 

② 我们弄清楚为什么不安全(结合源码以及我的个人讲述)

③ 不止步于为什么, 我们得知道怎么办(方案以及结合源码分析)

ps:  这篇文章 注定篇幅很长, 我会从非常非常小白0基础的角度去 很啰嗦地去讲一些内容。

距离上一次 这么臭长去讲 list集合相关的问题,还是21年的时候 ,个人认为也是很有学习价值的,大家也可以看看,但是注意就是 ,别看着看着回不来了,也是上万文字+图片+源码分析的文章:

Java 移除List中的元素,这玩意讲究!

开整开整。

正文


 看看它的不安全 以及 为什么不安全


线程不安全 ,看看官腔怎么说:
 

线程不安全,是指不提供加锁机制保护,有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。

其实小白话就是 :

多线程操作的时候 ,容易出现与我们预想不一致的结果。

就比如说,你做好准备 接我两拳。

本来你以为 我是打完一拳再打一拳。

结果我直接一招双龙出海,两只手一起打你, 你顶得住么?(你根本防不住。)

开始结合代码一探究竟。


代码小栗子 ① :
 

    public static void main(String[] args) {int threadNum = 1;List resultList = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < threadNum; i++) {new Thread(() -> resultList.add(UUID.randomUUID().toString())).start();}System.out.println("我们最终得到的resultList大小:"+resultList.size());}

 代码简析:

大家猜想结果是多少 ? 

是 0 , 为什么不是 1 ? 为什么会出现 0 ? 不是往里面ADD 了一个元素么 ? 

  

如果说你对这个 0  的结果很意外的话, 兄弟,你完了。

(吓你的,你本来要完了,还好你今天遇到了我)。

对这个 0  的结果很意外,代表你对线程方面的基础知识,可能还没了解。

简析:


因为for 里面 开了一个新的线程 new Thread , 这个线程 负责往 list 里面 add 一个数据。
但是 我们的打印 list.size 是 主线程 , 也就是说,如果 在 新的线程 new Thread 没执行完add 方法, 主线程就执行打印的代码,

那么就是 0啊 。

所以就是说,我们 主线程 等一等,让 for循环里面的新的线程 new Thread 先插入数据。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int threadNum = 1;List resultList = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < threadNum; i++) {new Thread(() -> resultList.add(UUID.randomUUID().toString())).start();}sleep(1000);System.out.println("我们最终得到的resultList大小:"+resultList.size());}

可以看到结果是1了 :

接下来我们把线程数改成10(另外主线程等5秒,给足够的时间让这个10个线程好好竞争一下) ,我们来看看 所谓的不安全 的ArrayList 能出现什么 ‘不安全’ :

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int threadNum = 10;List resultList = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < threadNum; i++) {new Thread(()->{resultList.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));System.out.println(resultList);}).start();}sleep(5000);System.out.println("我们最终得到的resultList大小:"+resultList.size());}

情况①:

正常运行的情况,可以看到 10个线程 不争不抢 :

 显然这是不符合我们文章主题的,我们要看的是不安全。

 

情况②:

有竞争,但是线程们 很友好,所以也没出什么幺蛾子(仅仅对于往list塞数据这个动作来说)

 

情况③:

10个线程 显然还是 太少了, 而且我电脑机子又好, 终于出现 ‘不安全’情况了 ,非常难得。

 

多线程操作 ArrayList 导致出现 add赋值 出现 null  情景分析 :

为什么会出现,先看看源码 ,

Object[] elementData  : 保存所有元素值的 数组
size :  elementData中存储的元素个数

 

 再看看 add 函数的 源码 :

 

 ensureExplicitCapacity ()函数:


将当前的新元素加到列表后面,判断列表的 elementData 数组的大小是否满足。

如果 size + 1 的这个需求长度大于 elementData 这个数组的长度,那么就要对这个数组进行扩容。

elementData[size++] = e :

e是传入的 值, 把这个值 赋值在 elementData数组的 size++ 位置 。

大家看出来问题没?

这两步没有和在一块操作。

也就说如果出现这个扩容的触发 和后面 赋值 并发情况 ,那么就有好戏看了。

ArrayList是基于数组实现,数组大小一旦确定就无法更改。 

ArrayList的扩容: 将旧数组容器的元素拷贝到新大小的数组中(Arrays.copyOf函数)。


而 通过new ArrayList<>()实例的对象初始化的大小是0,所以第一次插入就肯定会触发扩容。

 这里又必须给大家推荐一篇好文章了:

(没错也是我写的,但是看到这,你别去看这篇,跟着我现在的思路继续分析 这个null值出现的情景,实在很感兴趣,自己一会再看)
Java ArrayList new出来,默认的容量到底是0还是10 ?

 看看我们的截图, 第一个数据是 null 。


有趣。

第一个数据是 null (其实应该称为 执行扩容操作,并发导致出现null值 )分析 :

第一个线程A 插入数据时 属于首次add ,发现需要扩容, ok , 线程A 去扩容去了。

然后 我们是多线程操作场景, for循环第二次,触发new第二个线程B来了,线程B去add的时候,

因为线程A第一次扩容可能并没完成,所以导致 线程B 扩容所拿到list的elementDate是旧的,并不是线程A第一次扩容后对象, 线程B 拿到的 size还是 0 ,所以线程B 也认为自己是第一次add ,也需要扩容。

 
幻想一下 A 、B 线程的并发 一起进入扩容场景:

那么线程A 是第一次add的时候,他知道他要去扩容,   他自己 扩容 完,自己整了个list的新elementDate ,然后 就开始赋值 elementDate[size++] = A的UUID值。

在线程A这个操作的过程中,线程 B 在做什么?

 线程 B一开始 不巧也是以为要扩容,他拿着一个旧的 list的elementDate 也整了一个新的数组 ,

然后把 整个 list的 elementDate 引用指向 B线程自己弄出来的对象  

this.elementData = B新构建的对象(这对象全部值为null);

然后做什么?

然后 线程B 开始执行   elementDate[size++] = B的UUID值。


这里的好玩点是什么?

线程A 的值 赋值在 他创建出来的 elementDate 里面,然后触发 size++  。


但是线程 B 呢, 把 this.elementData 指向了自己的新弄出来的, 所以 A 的值 无情被抛弃, 但是 线程 B 开始赋值的时候,

看看这个size在源码里的情况:

public class ArrayList extends AbstractListimplements List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{transient Object[] elementData;//这是大家共用的 size private int size;
}


 
size是大家共用的, size 被 线程A 加1了 ,所以就出现 线程 B 赋值的时候   执行 elementDate[size++] = B的UUID值,出来的结果是
 
 [null , B的UUID值] 

 

null 就是这么来的 !  能看到这的人,友情提示,你已经阅读了3500字。当然还没完事。

情况④:

java.util.ConcurrentModificationException 并发冲突

直接定位报错函数:

 

 这个其实 之前分析过:

modCount是修改记录数,expectedModCount是期望修改记录数;
初始化的时候 expectedModCount=modCount ;

ArrayList的add函数、remove函数 操作都有对modCount++操作,当expectedModCount和modCount值不相等, 那就会报并发错误了(其实这个不是仅仅是多线程的问题,是这个ArrayList 代码next函数的问题,更多细节可以有空看看 Java 移除List中的元素,这玩意讲究!)。 

那么到这 我们大概知道 这个 ArrayList的不安全 问题了, 说白了就是  2行代码没上锁操作。

怎么办? 怎么安全起来?

最简单的方式, 也是面经上经常看到的  使用 Vector :

List resultList = new Vector<>();

看看vector怎么保证安全的:

 

其次 是 使用 Collections里面的synchronizedList :
 

List resultList =Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

 看看synchronizedList 怎么保证安全的:

 

还有可以使用 CopyOnWriteArrayList :

 List resultList  = new CopyOnWriteArrayList();

  看看CopyOnWriteArrayList 怎么保证安全的:

 ps:
CopyOnWriteArrayList 的set 也是上锁

 但是get 没有, 也就是说,get可能在多线程场景使用,拿到的是旧数据是可能的(也就是当前能读到的list里面的数据)

 

那么就CopyOnWriteArrayList的 set\add\get 函数,你能预料到它的不好点么?

1.set add 都选择使用了Arrays.copyOf复制操作 

 所以存在 内存占用以及耗时问题,当数组元素越来越多的时候。

2. get 多线程过程读取数据不是实时,那就可能出现 数据不一致问题,但是最终数据是一致的(读多写少就很合适)。

好了,该篇就到这吧。

 

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