ArrayList线程不安全怎么办？（CopyOnWriteArrayList详解）

• 2021 年 8 月 29 日
• 筆記

ArrayList线程不安全怎么办？

有三种解决方法：

• 使用对应的 Vector 类，这个类中的所有方法都加上了 synchronized 关键字

  • 就和 HashMap 和 HashTable 的关系一样

• 使用 Collections 提供的 synchronizedList 方法，将一个原本线程不安全的集合类转换为线程安全的，使用方法如下：

  List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
  

  • 其实 HashMap 也可以用这招：

    Map<String, String> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
    

  • 这个看上去有点东西，其实也是给每个方法加上一个 synchronized，不过不是直接加在方法上，而是加在方法内部，只有当线程获取到 mutex 这个对象的锁，才能进入代码块：

    public E get(int index) {
    	synchronized (mutex) {
            return list.get(index);
        }
    }
    

• 使用 JUC 包下提供的 CopyOnWriteArrayList 类

  • 其实 ConcurrentHashMap 也是 JUC 包下的

这里具体讨论一下 CopyOnWriteArrayList 这个类，它采用了“写时复制”的技术，也就是说，每当要往这个 list 中添加元素时，并不是直接就添加了，而是会先复制一份 list，然后在这个复制中添加元素，最后再修改指针的指向，看看 add 的源码：

public boolean add(E e) {
	synchronized (lock) {
        //得到当前的数组
        Object[] es = getArray();
        int len = es.length;
        //复制一份并扩容
        es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
        //把新元素添加进去
        es[len] = e;
        //修改指针的指向
        setArray(es);
        return true;
    }
}

有人可能会疑惑，这有什么意义，这不也加了 synchronized 吗，而且还要复制数组，这**不是比 Vector 还要烂吗？

确实是这样的，在写操作比较多的场景下，CopyOnWriteArrayList 确实比 Vector 还要慢，但它有两个优势：

• 虽然写操作烂了，但读操作快了很多，因为在 vector 中，读操作也是需要锁的，而在这里，读操作就不需要锁了，get 方法比较短可能不便于理解，我们看看 indexOf 这个方法：

  public int indexOf(Object o) {
      Object[] es = getArray();
      return indexOfRange(o, es, 0, es.length);
  }
  private static int indexOfRange(Object o, Object[] es, int from, int to) {
      if (o == null) {
          for (int i = from; i < to; i++)
              if (es[i] == null)
                  return i;
      } else {
          //****here****
          for (int i = from; i < to; i++)
              if (o.equals(es[i]))
                  return i;
      }
      return -1;
  }
  

  • 可以发现，这个方法先把当前数组 array 交给了 es 这个变量，后续的所有操作都是基于 es 进行的（此时 array 和 es 都指向内存中的同一份数组 a1）
  • 由于所有写操作都是在 a1 的拷贝上进行的（我们把内存中的这份拷贝称为 a2），因此不会影响到那些正在 a1 上进行的读操作，并且就算写操作执行完毕了，array 指向了 a2，也不会影响到 es 这个数组，因为 es 指向的还是 a1
  • 试想，如果 vector 的读操作不加锁会出现什么情况？由于 vector 中所有的读写操作都是基于同一个数组的，因此虽然读操作一开始拿到的数组是没问题的，但在后续遍历的过程中（比如上面代码标注了 here 的地方），很可能出现其他线程对数组进行了修改，夸张点说，如果有个线程把数组给清空了，那么读操作就肯定会报错了，而对于 CopyOnWriteArrayList 来说，就算有清空的操作，那也是在 a2 上进行的，而读操作还是在 a1 上进行，不会有任何影响

• 在 forEach 遍历一个 vector 时，是不允许对 vector 进行修改的，会报出 ConcurrentModificationException 这个异常，理由很简单，因为只有一份数组，要是遍历到一半有其它线程把数组清空了不就出问题了吗，因此 java 干脆就直接禁止这种遍历时修改数组的行为了，但对于 CopyOnWriteArrayList 来说，它的遍历是一直在 a1 上进行的，其它写线程只能修改到 a2，这对 a1 是没有任何影响的，我们看一段代码来验证一下：

  public class Test {
      public static void main(String[] args) {
          CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
          for (int i = 0; i < 1000; i++) {
              list.add(i);
          }
          //遍历时把数组清空
          for (Integer i : list) {
              System.out.println(i);
              list.clear();
          }
      }
  }
  

  • 结果是没有报错，并且完整输出了 0~999 所有的数字，可见这里遍历的就是最开始的那个数组 a1，期间哪怕有再多的写操作也不会影响到 a1，因为所有的写操作都是在 a2 a3 a4 上进行的

综上所述，CopyOnWriteArrayList 的优点就是，读操作很快，不需要锁，并且支持遍历，遍历过程中就算数组被修改也不会报错，在读多写少的场景下是很优秀的

但它的缺点也很明显，主要有两点：

• 首先，写操作的内存消耗非常大，每次修改数组都会进行一次拷贝，如果数组比较大或者修改次数比较多，很快就会消耗掉大量内存，触发 GC，因此在写多的场景下一定要慎用这个类
• 其次，虽然读操作和遍历不需要上锁，也允许遍历时数组被修改，但这些操作都是基于旧数组 a1 的，在它们执行 Object[] es = getArray() 这条语句的一瞬间就决定了它们所要操作的数组，因此它们是没有办法感知到最新的那些数据的，就算途中新增了一个很重要的数据，这个数据也是在 a2 中，遍历 a1 是无法得到这个数据的