ArrayList源码之为何线程不安全

摘要

面试的时候经常会问，ArrayList为何线程不安全，本篇文章通过分析源码、测试类复现现问题的形式，解释ArrayList线程不安全的原因。

源码分析

ArrayList add()方法的代码如下：

 public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);//数组是否够大，不够大则扩容
        elementData[size++] = e;//数组赋值，集合大小加一
        return true;//返回添加成功标识
    }

add方法中有三行代码，其中第二行代码实际上执行分为两行，拆分后如下：

 public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);//数组是否够大，不够大则扩容
        elementData[size] = e;//数组赋值
        size=size+1;//集合大小加一
        return true;//返回添加成功标识
    }

分析这段代码，ArrayList的add方法有两种线程不安全的情况：

• 数组越界
• 一个线程的值覆盖另一个线程添加的值

数组越界

• 列表大小为9，即size=9。数组大小为10，即elementData的大小就为10

• 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

一个线程的值覆盖另一个线程添加的值

• 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。

##测试类复现问题

数组越界

1. 新建线程，向list中循环添加数据

package org.ludk.arraylistsafe;

import java.util.List;

/**
 * @author ludengke
 * @title: AddDataThread
 * @projectName springcloud-demo
 * @description: TODO
 * @date 2021/10/1714:11
 */
public class AddDataThread implements Runnable{
    private List<Integer> myList;

    public AddDataThread(List<Integer> myList) {
        this.myList = myList;
    }
    /**
    *@Description
    *@Param []线程的run方法，循环向集合中添加数据
    *@Return void
    *@Author ludengke
    *@Date 2021/10/17
    *@Time 14:14
    */
    public void run() {
        for (int i=0;i<100;i++){
            myList.add(i);
            System.out.println(myList.get(i));
        }
    }
}

2. 新建测试类，new两个线程向一个list中添加数据

package org.ludk.arraylistsafe;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.UUID;

/**
 * ArrayList线程安全问题测试类
 */
public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        testListSafe();
    }
    public static void testListSafe(){
        List<Integer> myList=new ArrayList<Integer>();
        new Thread(new AddDataThread(myList)).start();
        new Thread(new AddDataThread(myList)).start();
        System.out.println("期望的集合大小为200，实际大小为："+myList.size());
    }
    public static void testListSafe2(){
        final List<String> myList=new ArrayList<String>();
        for (int i=0;i<500;i++){
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    myList.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
//                    System.out.println(myList);
                }
            }).start();
        }
    }
}

3. 运行测试类，查看结果

D:\work\java\bin\java.exe "-javaagent:C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.3.3\lib\idea_rt.jar=53865:C:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.3.3\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath D:\work\java\jre\lib\charsets.jar;D:\work\java\jre\lib\deploy.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\work\java\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\work\java\jre\lib\javaws.jar;D:\work\java\jre\lib\jce.jar;D:\work\java\jre\lib\jfr.jar;D:\work\java\jre\lib\jfxswt.jar;D:\work\java\jre\lib\jsse.jar;D:\work\java\jre\lib\management-agent.jar;D:\work\java\jre\lib\plugin.jar;D:\work\java\jre\lib\resources.jar;D:\work\java\jre\lib\rt.jar;D:\work\springcloud-demo\target\classes org.ludk.arraylistsafe.TestMain
期望的集合大小为200，实际大小为：0
Exception in thread "Thread-0" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 10
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:463)
	at org.ludk.arraylistsafe.AddDataThread.run(AddDataThread.java:28)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Process finished with exit code 0

一个线程的值覆盖另一个线程添加的值

没复现出来，待补充。