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）

2023-10-27

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<String> 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<String> 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<String> 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<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, 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<String> resultList = new Vector<>();

看看vector怎么保证安全的：

其次是使用 Collections里面的synchronizedList ：

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

看看synchronizedList 怎么保证安全的：

还有可以使用 CopyOnWriteArrayList ：

 List<String> 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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