ArrayList-线程不安全

一.概述

对于ArrayList，相信大家并不陌生。这个类是我们平时接触得最多的一个列表集合类。

面试时相信面试官首先就会问到关于它的知识。一个经常被问到的问题就是：ArrayList是否是线程安全的？

答案当然很简单，无论是背来的还是自己看过源码，我们都知道它是线程不安全的。那么它为什么是线程不安全的呢？它线程不安全的具体体现又是怎样的呢？我们从源码的角度来看下。

二.源码分析

首先看看这个类所拥有的部分属性字段：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    /**
     * 列表元素集合数组
     * 如果新建ArrayList对象时没有指定大小，那么会将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData，
     * 并在第一次添加元素时，将列表容量设置为DEFAULT_CAPACITY 
     */
    transient Object[] elementData; 

    /**
     * 列表大小，elementData中存储的元素个数
     */
    private int size;
}

所以通过这两个字段我们可以看出，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。

接着我们看下最重要的add操作时的源代码：

public boolean add(E e) {

    /**
     * 添加一个元素时，做了如下两步操作
     * 1.判断列表的capacity容量是否足够，是否需要扩容
     * 2.真正将元素放在列表的元素数组里面
     */
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

ensureCapacityInternal()这个方法的详细代码我们可以暂时不看，它的作用就是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。

由此看到add元素时，实际做了两个大的步骤：

判断elementData数组容量是否满足需求
在elementData对应位置上设置值
这样也就出现了第一个导致线程不安全的隐患，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.
另外第二步 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。

接下来我们用个小例子验证一下。

三.案例复现

我们用如下的代码可以进行安全性的校验：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

    // 线程A将0-1000添加到list
    new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 1000 ; i++) {
                list.add(i);

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

    // 线程B将1000-2000添加到列表
    new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            for (int i = 1000; i < 2000 ; 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));
    }
}

最后的输出结果中，有如下的部分：

第7个元素为：3
第8个元素为：1003
第9个元素为：4
第10个元素为：1004
第11个元素为：null
第12个元素为：1005
第13个元素为：6