模拟传统的ArrayList出现线程不安全的现象
public class Demo1 { public static void main(String[] args) { //List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); List<String> list = new ArrayList<>(); //开启50个线程往ArrayList中添加数据 for (int i = 1; i <= 50; i++) { new Thread(() -> { list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 5)); System.out.println(list); }, String.valueOf(i)).start(); } } } 复制代码
运行结果如下:由于fail-fast机制的存在,抛出了modcount修改异常的错误(modcount是ArrayList源码中的一个变量,用来表示修改的次数,因为ArrayList不是为并发情况而设计的集合类)
如何解决该问题呢?方式一:可以使用Vector集合,Vector集合是线程安全版的ArrayList,其方法都上了一层synchronized进行修饰,采取jvm内置锁来保证其并发情况下的原子性、可见性、有序性。但同时也带来了性能问题,因为synchronized一旦膨胀到重量级锁,存在用户态到和心态的一个转变,多线程的上下文切换会带来开销。另一个问题是Vector集合的扩容没有ArrayList的策略好
List<String> list = new Vector<>();
方式二:使用Collections.synchronizedList
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
方式三:采用JUC提供的并发容器,CopyOnWriteArrayList
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
和ArrayList一样,其底层数据结构也是数组,加上transient不让其被序列化,加上volatile修饰来保证多线程下的其可见性和有序性
先来看看其构造函数是怎么一回事
public CopyOnWriteArrayList() { //默认创建一个大小为0的数组 setArray(new Object[0]); } final void setArray(Object[] a) { array = a; } public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) { Object[] elements; //如果当前集合是CopyOnWriteArrayList的类型的话,直接赋值给它 if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class) elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray(); else { //否则调用toArra()将其转为数组 elements = c.toArray(); // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elements.getClass() != Object[].class) elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class); } //设置数组 setArray(elements); } public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) { //将传进来的数组元素拷贝给当前数组 setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class)); } 复制代码
在来看看其读数据的几个操作,可见都没上锁,这就奇怪了,那如何去保证线程安全呢?
final Object[] getArray() { return array; } public int size() { return getArray().length; } public boolean isEmpty() { return size() == 0; } public int indexOf(E e, int index) { Object[] elements = getArray(); return indexOf(e, elements, index, elements.length); } public int lastIndexOf(Object o) { Object[] elements = getArray(); return lastIndexOf(o, elements, elements.length - 1); } ........ 复制代码
在来看看其修改时的add函数
public boolean add(E e) { //使用ReentrantLock上锁 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { //调用getArray()获取原来的数组 Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; //复制老数组,得到一个长度+1的数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //添加元素,在用setArray()函数替换原数组 newElements[len] = e; setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } } 复制代码
可见其修改操作是基于fail-safe机制,像我们的String一样,不在原来的对象上直接进行操作,而是复制一份对其进行修改,另外此处的修改操作是利用Lock锁进行上锁的,所以保证了线程安全问题。
在来看看remove操作,看是不是如此做的
public boolean remove(Object o) { Object[] snapshot = getArray(); int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length); return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index); } private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) { final ReentrantLock lock = this.lock; //上锁 lock.lock(); try { Object[] current = getArray(); int len = current.length; if (snapshot != current) findIndex: { int prefix = Math.min(index, len); for (int i = 0; i < prefix; i++) { if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) { index = i; break findIndex; } } if (index >= len) return false; if (current[index] == o) break findIndex; index = indexOf(o, current, index, len); if (index < 0) return false; } //复制一个数组 Object[] newElements = new Object[len - 1]; System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(current, index + 1, newElements, index, len - index - 1); //替换原数组 setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } } 复制代码
可见其思路是一致的,我们在与ArrayList去对比一下,可见其效率比ArrayList低不少,毕竟多线程场景下,其每次都是要在原数组基础上复制一份在操作耗内存和时间,而ArrayList只是容量满了进行扩容,因此在非多线程的场景下还是用ArrayList吧。
这也解决了我之前的疑问,为啥还学ArrayList呢,JUC版的CopyOnWriteArrayList可以干ArrayList干不了的事,咱们直接用CopyOnWriteArrayList不也挺香。