全網(wǎng)最細(xì) | 21張圖帶你領(lǐng)略集合的線程不安全

本篇主要內(nèi)容如下：

本篇所有示例代碼已更新到 我的Github

本篇文章已收納到我的Java在線文檔

一、線程不安全之ArrayList

集合框架有Map和Collection兩大類，Collection下面有List、Set、Queue。List下面有ArrayList、Vector、LinkedList。如下圖所示：

JUC并發(fā)包下的集合類Collections有Queue、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentMap

我們先來看看ArrayList。

1.1、ArrayList的底層初始化操作

首先我們來復(fù)習(xí)下ArrayList的使用，下面是初始化一個(gè)ArrayList，數(shù)組存放的是Integer類型的值。

new?ArrayList();

那么底層做了什么操作呢？

1.2、ArrayList的底層原理

1.2.1 初始化數(shù)組

/**
?*?Constructs?an?empty?list?with?an?initial?capacity?of?ten.
?*/
public?ArrayList()?{
????this.elementData?=?DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

創(chuàng)建了一個(gè)空數(shù)組，容量為0，根據(jù)官方的英文注釋，這里容量應(yīng)該為10，但其實(shí)是0，后續(xù)會(huì)講到為什么不是10。

1.2.1 ArrayList的add操作

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

重點(diǎn)是這一步：elementData[size++] = e; size++和elementData[xx]=e，這兩個(gè)操作都不是原子操作（不可分割的一個(gè)或一系列操作，要么都成功執(zhí)行，要么都不執(zhí)行）。

1.2.2 ArrayList擴(kuò)容源碼解析

（1）執(zhí)行add操作時(shí)，會(huì)先確認(rèn)是否超過數(shù)組大小

ensureCapacityInternal(size?+?1);

（2）計(jì)算數(shù)組的當(dāng)前容量calculateCapacity

private?void?ensureCapacityInternal(int?minCapacity)?{
????ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData,?minCapacity));
}

minCapacity : 值為1

elementData：代表當(dāng)前數(shù)組

我們先看ensureCapacityInternal調(diào)用的ensureCapacityInternal方法

calculateCapacity(elementData,?minCapacity)

calculateCapacity方法如下：

private?static?int?calculateCapacity(Object[]?elementData,?int?minCapacity)?{
????if?(elementData?==?DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA)?{
????????return?Math.max(DEFAULT_CAPACITY,?minCapacity);
????}
????return?minCapacity;
}

elementData：代表當(dāng)前數(shù)組，添加第一個(gè)元素時(shí)，elementData等于DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA（空數(shù)組）

minCapacity：等于1

DEFAULT_CAPACITY：等于10

返回 Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity) = 10

小結(jié)：所以第一次添加元素時(shí)，計(jì)算數(shù)組的大小為10

（3）確定當(dāng)前容量ensureExplicitCapacity

minCapacity = 10

elementData.length=0

小結(jié)：因minCapacity > elementData.length，所以進(jìn)行第一次擴(kuò)容，調(diào)用grow()方法從0擴(kuò)大到10。

（4）調(diào)用grow方法

oldCapacity=0，newCapacity=10。

然后執(zhí)行 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);

將當(dāng)前數(shù)組和容量大小進(jìn)行數(shù)組拷貝操作，賦值給elementData。數(shù)組的容量設(shè)置為10

elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值將會(huì)不一樣。

（5）然后將元素賦值給數(shù)組第一個(gè)元素，且size自增1

elementData[size++]?=?e;

（6）添加第二個(gè)元素時(shí)，傳給ensureCapacityInternal的是2

ensureCapacityInternal(size?+?1)

size=1，size+1=2

（7）第二次添加元素時(shí)，執(zhí)行calculateCapacity

elementData的值和DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA的值不相等，所以直接返回2

（8）第二次添加元素時(shí)，執(zhí)行ensureExplicitCapacity

因minCapacity等于2，小于當(dāng)前數(shù)組的長(zhǎng)度10，所以不進(jìn)行擴(kuò)容，不執(zhí)行g(shù)row方法。

（9）將第二個(gè)元素添加到數(shù)組中，size自增1

elementData[size++]?=?e

（10）當(dāng)添加第11個(gè)元素時(shí)調(diào)用grow方法進(jìn)行擴(kuò)容

minCapacity=11， elementData.length=10，調(diào)用grow方法。

（11）擴(kuò)容1.5倍

int?newCapacity?=?oldCapacity?+?(oldCapacity?>>?1);

oldCapacity=10，先換算成二級(jí)制1010，然后右移一位，變成0101，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制5，所以newCapacity=10+5=15，擴(kuò)容1.5倍后是15。

（12）小結(jié)

• 1.ArrayList初始化為一個(gè) 空數(shù)組
• 2.ArrayList的Add操作不是線程安全的
• 3.ArrayList添加第一個(gè)元素時(shí)，數(shù)組的容量設(shè)置為 10
• 4.當(dāng)ArrayList數(shù)組超過當(dāng)前容量時(shí)，擴(kuò)容至 1.5倍（遇到計(jì)算結(jié)果為小數(shù)的，向下取整），第一次擴(kuò)容后，容量為15，第二次擴(kuò)容至22...
• 5.ArrayList在第一次和擴(kuò)容后都會(huì)對(duì)數(shù)組進(jìn)行拷貝，調(diào)用 Arrays.copyOf方法。

1.3、ArrayList單線程環(huán)境是否安全？

場(chǎng)景：

我們通過一個(gè)添加積木的例子來說明單線程下ArrayList是線程安全的。

將 積木 三角形A、四邊形B、五邊形C、六邊形D、五角星E依次添加到一個(gè)盒子中，盒子中共有5個(gè)方格，每一個(gè)方格可以放一個(gè)積木。

代碼實(shí)現(xiàn)：

（1）這次我們用新的積木類BuildingBlockWithName

這個(gè)積木類可以傳形狀shape和名字name

/**
?*?積木類
?*?@author:?悟空聊架構(gòu)
?*?@create:?2020-08-27
?*/
class?BuildingBlockWithName?{
????String?shape;
????String?name;
????public?BuildingBlockWithName(String?shape,?String?name)?{
????????this.shape?=?shape;
????????this.name?=?name;
????}
????@Override
????public?String?toString()?{
????????return?"BuildingBlockWithName{"?+?"shape='"?+?shape?+?",name="?+?name?+'}';
????}
}

（2）初始化一個(gè)ArrayList

ArrayList?arrayList?=?new?ArrayList<>();

（3）依次添加三角形A、四邊形B、五邊形C、六邊形D、五角星E

arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("三角形",?"A"));
arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("四邊形",?"B"));
arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("五邊形",?"C"));
arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("六邊形",?"D"));
arrayList.add(new?BuildingBlockWithName("五角星",?"E"));

（4）驗(yàn)證arrayList中元素的內(nèi)容和順序是否和添加的一致

BuildingBlockWithName{shape='三角形,name=A}
BuildingBlockWithName{shape='四邊形,name=B}
BuildingBlockWithName{shape='五邊形,name=C}
BuildingBlockWithName{shape='六邊形,name=D}
BuildingBlockWithName{shape='五角星,name=E}

我們看到結(jié)果確實(shí)是一致的。

小結(jié)： 單線程環(huán)境中，ArrayList是線程安全的。

1.4、多線程下ArrayList是不安全的

場(chǎng)景如下： 20個(gè)線程隨機(jī)往ArrayList添加一個(gè)任意形狀的積木。

（1）代碼實(shí)現(xiàn)：20個(gè)線程往數(shù)組中隨機(jī)存放一個(gè)積木。

（2）打印結(jié)果：程序開始運(yùn)行后，每個(gè)線程只存放一個(gè)隨機(jī)的積木。

數(shù)組中會(huì)不斷存放積木，多個(gè)線程會(huì)爭(zhēng)搶數(shù)組的存放資格，在存放過程中，會(huì)拋出一個(gè)異常: ConcurrentModificationException（并行修改異常）

Exception?in?thread?"10"?Exception?in?thread?"13"?java.util.ConcurrentModificationException

這個(gè)就是常見的并發(fā)異常：java.util.ConcurrentModificationException

1.5 那如何解決ArrayList線程不安全問題呢？

有如下方案：

• 1.用Vector代替ArrayList
• 2.用Collections.synchronized(new ArrayList<>())
• 3.CopyOnWriteArrayList

1.6 Vector是保證線程安全的？

下面就來分析vector的源碼。

1.6.1 初始化Vector

初始化容量為10

public?Vector()?{
????this(10);
}

1.6.2 Add操作是線程安全的

Add方法加了synchronized，來保證add操作是線程安全的（保證可見性、原子性、有序性），對(duì)這幾個(gè)概念有不懂的可以看下之前的寫的文章-》 反制面試官 | 14張?jiān)韴D | 再也不怕被問 volatile!

1.6.3 Vector擴(kuò)容至2倍

int?newCapacity?=?oldCapacity?+?((capacityIncrement?>?0)???capacityIncrement?:?oldCapacity);

注意： capacityIncrement 在初始化的時(shí)候可以傳值，不傳則默認(rèn)為0。如果傳了，則第一次擴(kuò)容時(shí)為設(shè)置的oldCapacity+capacityIncrement，第二次擴(kuò)容時(shí)擴(kuò)大1倍。

缺點(diǎn)： 雖然保證了線程安全，但因?yàn)榧恿伺懦怄isynchronized，會(huì)造成阻塞，所以性能降低。

1.6.4 用積木模擬Vector的add操作

當(dāng)往vector存放元素時(shí)，給盒子加了一個(gè)鎖，只有一個(gè)人可以存放積木，放完后，釋放鎖，放第二元素時(shí)，再進(jìn)行加鎖，依次往復(fù)進(jìn)行。

1.7 使用Collections.synchronizedList保證線程安全

我們可以使用Collections.synchronizedList方法來封裝一個(gè)ArrayList。

List