Java集合类ArrayList线程不安全验证和解决

1.ArrayList 线程不安全验证

验证Demo:

/*** 集合类ArrayList线程不安全验证** @author wangjie* @version V1.0* @date 2019/12/17*/
public class ContainerNotSafe {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();for(int i = 0; i < 30 ; i++){new Thread(() ->{list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));System.out.println(list);},i+"").start();}}
}

运行结果：

java.util.ConcurrentModificationException

这个异常各位可是眼熟？

并发修改异常，以下是JDK1.8 文档截图

1,对象被不同的线程同时修改

2,如果单个线程发出违反对象合同的方法调用序列，则该对象可能会抛出此异常。例如，如果线程在使用故障快速迭代器迭代集合时直接修改集合，则迭代器将抛出此异常。

2.解决方案

2.1 换Vector

两者区别：

1.ArrayList是线程不安全的，Vector是线程安全的。

2.两者扩容方式不同。在底层数组容量不足时，ArrayList会将容量扩容为原来的1.5倍。而Vector支持在创建的时候主动声明扩容时增加的容量的大小，通过Vector(int initialCapacity, int capacityIncrement)构造函数实现。如果没有声明，或者capacityIncrement <= 0，那么默认扩容为原来的2倍.

// Vector的扩容方法
private void grow(int minCapacity) {// overflow-conscious codeint oldCapacity = elementData.length;int newCapacity = oldCapacity + ((capacityIncrement > 0) ?capacityIncrement : oldCapacity);if (newCapacity - minCapacity < 0)newCapacity = minCapacity;if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

验证Demo:

/*** 验证Vector线程安全** @author wangjie* @version V1.0* @date 2019/12/17*/
public class ContainerSafe {public static void main(String[] args) {List<String> list = new Vector<>();for(int i = 0; i < 30 ; i++){new Thread(() ->{list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));System.out.println(list);},i+"").start();}}
}

运行结果：

2.2 用Collections.synchronizedList()

先上验证Demo:

public class ContainerSafe {public static void main(String[] args) {//        List<String> list = new Vector<>();List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());for(int i = 0; i < 30 ; i++){new Thread(() ->{list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));System.out.println(list);},i+"").start();}}
}

运行结果：

2.2.1 Vector和Collections.synchronizedList

虽然ArrayList是线程不安全的，但是通过Collections.synchronizedList()方法可以将线程不安全的List转成线程安全的List。但官方文档里，有这么一句话：

If you need synchronization, a Vector will be slightly faster than an ArrayList synchronized with Collections.synchronizedList.

Vector比Collections.synchronizedList快一点点。
下面是我扒的一部分源码：

  public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {return (list instanceof RandomAccess ?new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :new SynchronizedList<>(list));}SynchronizedList(List<E> list, Object mutex) {super(list, mutex);this.list = list;}SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {this.c = Objects.requireNonNull(c);this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);}public boolean add(E e) {synchronized (mutex) {return c.add(e);}}}

从代码中可以看出，SynchronizedList类使用了委托(delegation)，实质上存储还是使用了构造时传进来的list，只是将list作为底层存储，对它做了一层包装。正是因为多了一层封装，所以就会比直接操作数据的Vector慢那么一点点。

从上面的代码我们也可以看出来，SynchronizedList的同步，使用的是synchronized代码块对mutex对象加锁，这个mutex对象还能够通过构造函数传进来，也就是说我们可以指定锁定的对象。

而Vector则使用了synchronized方法，同步方法的作用范围是整个方法，所以没办法对同步进行细粒度的控制。而且同步方法加锁的是this对象，没办法控制锁定的对象。这也是vector和SynchronizedList的一个区别。

2.3 使用CopyOnWriteArrayList

什么是CopyOnWrite容器？

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的实现原理,以下是我扒的CopyOnWriteArrayList的部分源码：

public boolean add(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);newElements[len] = e;setArray(newElements);return true;} finally {lock.unlock();}}
public E remove(int index) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;E oldValue = get(elements, index);int numMoved = len - index - 1;if (numMoved == 0)setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));else {Object[] newElements = new Object[len - 1];System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,numMoved);setArray(newElements);}return oldValue;} finally {lock.unlock();}}
public E set(int index, E element) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();E oldValue = get(elements, index);if (oldValue != element) {int len = elements.length;Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);newElements[index] = element;setArray(newElements);} else {// Not quite a no-op; ensures volatile write semanticssetArray(elements);}return oldValue;} finally {lock.unlock();}}

读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为开始读的那一刻已经确定了读的对象是旧对象。

写入和删除时加锁，所以一个线程X读取的时候另一个线程Y可能执行remove操作。remove操作首先要获取独占锁，然后进行写时复制操作，就是复制一份当前的array数组，然后在复制的新数组里面删除元素，删除完成后让array指向这个新的数组。

验证Demo:

public class ContainerSafe {public static void main(String[] args) {//        List<String> list = new Vector<>();
//        List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();for(int i = 0; i < 30 ; i++){new Thread(() ->{list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,8));System.out.println(list);},i+"").start();}}
}

运行结果：

2.3.1 CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

内存占用问题：因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。

针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

数据一致性问题：CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。【当执行add或remove操作没完成时，get获取的仍然是旧数组的元素】
　　
【完】

注：文章内所有测试用例源码：https://gitee.com/wjie2018/test-case.git