ArrayList源碼和多線程安全問題分析

1.ArrayList源碼和多線程安全問題分析

在分析ArrayList線程安全問題之前，我們線對此類的源碼進行分析，找出可能出現線程安全問題的地方，然后代碼進行驗證和分析。

1.1 數據結構

ArrayList內部是使用數組保存元素的，數據定義如下：

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

在ArrayList中此數組即是共享資源，當多線程對此數據進行操作的時候如果不進行同步控制，即有可能會出現線程安全問題。

1.2 add方法可能出現的問題分析

首先我們看一下add的源碼如下：

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

此方法中有兩個操作，一個是數組容量檢查，另外就是將元素放入數據中。我們先看第二個簡單的開始分析，當多個線程執行順序如下所示的時候，會出現最終數據元素個數小於期望值。

按照此順序執行完之后，我們可以看到，elementData[n]的只被設置了兩次，第二個線程設置的值將前一個覆蓋，最后size=n+1。下面使用代碼進行驗證此問題。

1.3 代碼驗證

首先先看下以下代碼，開啟1000個線程，同時調用ArrayList的add方法，每個線程向ArrayList中添加100個數字，如果程序正常執行的情況下應該是輸出：

list size is :10000  

代碼如下：

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());
    }

當執行此main方法后，輸出如下：

從以上執行結果來看，最后輸出的結果會小於我們的期望值。即當多線程調用add方法的時候會出現元素覆蓋的問題。

1.4 數組容量檢測的並發問題

在add方法源碼中，我們看到在每次添加元素之前都會有一次數組容量的檢測，add中調用此方法的源碼如下：

ensureCapacityInternal(size + 1);

容量檢測的相關源碼如下：

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);
}

容量檢測的流程圖如下所示：

我們以兩個線程執行add操作來分析擴充容量可能會出現的並發問題：
當我們新建一個ArrayList時候，此時內部數組容器的容量為默認容量10，當我們用兩個線程同時添加第10個元素的時候，如果出現以下執行順序，可能會拋出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException異常。

第二個線程往數組中添加數據的時候由於數組容量為10，而此操作往index為10的位置設置元素值，因此會拋出數組越界異常。

1.5 代碼驗證數組容量檢測的並發問題

使用如下代碼：
private static List list = new ArrayList (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();
    }

執行main方法后，我們可以看到控制台輸出如下：

1.6 ArrayList中其他方法說明

ArrayList中其他包含對共享變量操作的方法同樣會有並發安全問題，只需要按照以上的分析方法分析即可。