ArrayList源码和多线程安全问题分析

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1.ArrayList源码和多线程安全问题分析

在分析ArrayList线程安全问题之前，我们线对此类的源码进行分析，找出可能出现线程安全问题的地方，然后代码进行验证和分析。

1.1 数据结构

ArrayList内部是使用数组保存元素的，数据定义如下：

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

在ArrayList中此数组即是共享资源，当多线程对此数据进行操作的时候如果不进行同步控制，即有可能会出现线程安全问题。

1.2 add方法可能出现的问题分析

首先我们看一下add的源码如下：

public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1);
elementData[size++] = e;
return true;
}

此方法中有两个操作，一个是数组容量检查，另外就是将元素放入数据中。我们先看第二个简单的开始分析，当多个线程执行顺序如下所示的时候，会出现最终数据元素个数小于期望值。

按照此顺序执行完之后，我们可以看到，elementData[n]的只被设置了两次，第二个线程设置的值将前一个覆盖，最后size=n+1。下面使用代码进行验证此问题。

1.3 代码验证

首先先看下以下代码，开启1000个线程，同时调用ArrayList的add方法，每个线程向ArrayList中添加100个数字，如果程序正常执行的情况下应该是输出：

list size is :10000

代码如下：

private static List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1000);
private static class IncreaseTask extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println("ThreadId:" + Thread.currentThread().getId() + " start!");
for(int i =0; i < 100; i++){
list.add(i);
}
System.out.println("ThreadId:" + Thread.currentThread().getId() + " finished!");
}
}
public static void main(String[] args){
for(int i=0; i < 1000; i++){
executorService.submit(new IncreaseTask());
}
executorService.shutdown();
while (!executorService.isTerminated()){
try {
Thread.sleep(1000*10);
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("All task finished!");
System.out.println("list size is :" + list.size());
}

当执行此main方法后，输出如下：

从以上执行结果来看，最后输出的结果会小于我们的期望值。即当多线程调用add方法的时候会出现元素覆盖的问题。

1.4 数组容量检测的并发问题

在add方法源码中，我们看到在每次添加元素之前都会有一次数组容量的检测，add中调用此方法的源码如下：

ensureCapacityInternal(size + 1);

容量检测的相关源码如下：

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);
}

容量检测的流程图如下所示：

我们以两个线程执行add操作来分析扩充容量可能会出现的并发问题：
当我们新建一个ArrayList时候，此时内部数组容器的容量为默认容量10，当我们用两个线程同时添加第10个元素的时候，如果出现以下执行顺序，可能会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

第二个线程往数组中添加数据的时候由于数组容量为10，而此操作往index为10的位置设置元素值，因此会抛出数组越界异常。

1.5 代码验证数组容量检测的并发问题

使用如下代码：

private static List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(3);
private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10000);
private static class IncreaseTask extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println("ThreadId:" + Thread.currentThread().getId() + " start!");
for(int i =0; i < 1000000; i++){
list.add(i);
}
System.out.println("ThreadId:" + Thread.currentThread().getId() + " finished!");
}
}
public static void main(String[] args){
new IncreaseTask().start();
new IncreaseTask().start();
}

执行main方法后，我们可以看到控制台输出如下：