容器之List接口下各实现类（Vector,ArrayList 和LinkedList）的线程安全问题

Vector 、ArrayList 和LinkedList都是List接口下的实现类，但是他们之间的区别和联系是什么呢？

首先：

然后：

如果您仅仅想知道结论，那么可以关闭了。

下面我讨论讨论为什么。

• 发现arrayList的线程安全是由size引起的，为何这么说呢？

这是ArrayList所拥有的部分属性，通过这两个字段我们可以看出，ArrayList的实现主要就是用了一个Object的数组，用来保存所有的元素，以及一个size变量用来保存当前数组中已经添加了多少元素。

 1 public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
 2         implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
 3 {
 4     /**
 5      * 列表元素集合数组
 6      * 如果新建ArrayList对象时没有指定大小，那么会将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData，
 7      * 并在第一次添加元素时，将列表容量设置为DEFAULT_CAPACITY
 8      */
 9     transient Object[] elementData;
10
11     /**
12      * 列表大小，elementData中存储的元素个数
13      */
14     private int size;
15 }

接着我们看下最重要的add操作时的源代码：

 1 public boolean add(E e) {
 2
 3     /**
 4      * 添加一个元素时，做了如下两步操作
 5      * 1.判断列表的capacity容量是否足够，是否需要扩容
 6      * 2.真正将元素放在列表的元素数组里面
 7      */
 8     ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
 9     elementData[size++] = e;
10     return true;
11 }

ensureCapacityInternal()这个方法的详细代码我们可以暂时不看，它的作用就是判断如果将当前的新元素加到列表后面，列表的elementData数组的大小是否满足，如果size + 1的这个需求长度大于了elementData这个数组的长度，那么就要对这个数组进行扩容。

由此看到add元素时，实际做了两个大的步骤：

1. 判断elementData数组容量是否满足需求
2. 在elementData对应位置上设置值

这样也就出现了第一个导致线程不安全的隐患，在多个线程进行add操作时可能会导致elementData数组越界。具体逻辑如下：

1. 列表大小为9，即size=9
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 线程B也发现需求大小为10，也可以容纳，返回。
6. 线程A开始进行设置值操作， elementData[size++] = e 操作。此时size变为10。
7. 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.

另外再看第二步 elementData[size++] = e 设置值的操作同样会导致线程不安全。从这儿可以看出，这步操作也不是一个原子操作，它由如下两步操作构成：

1. elementData[size] = e;
2. size = size + 1;

在单线程执行这两条代码时没有任何问题，但是当多线程环境下执行时，可能就会发生一个线程的值覆盖另一个线程添加的值，具体逻辑如下：

1. 列表大小为0，即size=0；
2. 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；
3. 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；
4. 线程A开始将size的值增加为1；
5. 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。

举例分析：

 1 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 2     final List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
 3
 4     // 线程A将0-1000添加到list
 5     new Thread(new Runnable() {
 6         public void run() {
 7             for (int i = 0; i < 1000 ; i++) {
 8                 list.add(i);
 9
10                 try {
11                     Thread.sleep(1);
12                 } catch (InterruptedException e) {
13                     e.printStackTrace();
14                 }
15             }
16         }
17     }).start();
18
19     // 线程B将1000-2000添加到列表
20     new Thread(new Runnable() {
21         public void run() {
22             for (int i = 1000; i < 2000 ; i++) {
23                 list.add(i);
24
25                 try {
26                     Thread.sleep(1);
27                 } catch (InterruptedException e) {
28                     e.printStackTrace();
29                 }
30             }
31         }
32     }).start();
33
34     Thread.sleep(1000);
35
36     // 打印所有结果
37     for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
38         System.out.println("第" + (i + 1) + "个元素为：" + list.get(i));
39     }
40 }

结果：

第7个元素为：3
第8个元素为：1003
第9个元素为：4
第10个元素为：1004
第11个元素为：null
第12个元素为：1005
第13个元素为：6

可以看到第11个元素的值为null，这也就是我们上面所说的情况。

• Vector是线程安全的，为什么？

vector之所以说是线程安全的是因为，他的很多方法上都加了Synchronized关键字。

但是！但是！但是！这仅仅表示在vector内部，其所有方法不会被多线程所访问。

如果是像下面这样呢？

if (!vector.contains(element))
    vector.add(element);
    ...
}

这是经典的 put-if-absent 情况，尽管 contains, add 方法都正确地同步了，但作为 vector 之外的使用环境，仍然存在  race condition: 因为虽然条件判断 if (!vector.contains(element))与方法调用 vector.add(element);  都是原子性的操作 (atomic)，但在 if 条件判断为真后，那个用来访问vector.contains 方法的锁已经释放，在即将的 vector.add 方法调用之间有间隙，在多线程环境中，完全有可能被其他线程获得 vector的 lock 并改变其状态, 此时当前线程的vector.add(element);  正在等待（只不过我们不知道而已）。只有当其他线程释放了 vector 的 lock 后，vector.add(element); 继续，但此时它已经基于一个错误的假设了。

所以，单个的方法 synchronized 了并不代表组合（compound）的方法调用具有原子性，使 compound actions  成为线程安全的可能解决办法之一还是离不开intrinsic lock (这个锁应该是 vector 的，但由 client 维护)：

// Vector v = ...
    public  boolean putIfAbsent(E x) {
synchronized(v) {
            boolean absent = !contains(x);
            if (absent) {
                add(x);
}
}
        return absent;
    }

【综上】：

Vector 和 ArrayList 实现了同一接口 List, 但所有的 Vector 的方法都具有 synchronized 关键修饰。但对于复合操作，Vector 仍然需要进行同步处理。

• 关于LinkedList线程不安全，为什么？

在多线程程序中有多个线程访问LinkedList的话会出现什么问题呢？

会抛出ConcurrentModificationException，JDK代码里，ListItr的add(), next(), previous(), remove(), set()方法都会跑出ConcurrentModificationException。

举例：通过LinkedList对象修改其结构

如果两个线程都是通过LinkedList对象修改其结构，会发生什么呢？我们先看一下JDK中LinkedList的数据结构。

这是一个双向循环链表。header的作用就是能快速定位链表的头和尾。图中，“n”表示next，“p”表示previous。header的n指向first element；p指向last element。

当一个线程A调用LinkedList的addFirst方法时（假设添加节点“4”）：

第一步：它首先更新“4”的n和p，n->3, p->header；

第二步：更新节点“3”和herder的n和p，3的n不变, 3的p->4, header的n->4, header的p不变。

假设两个线程A，B同时调用addFirst(4), addFirst(5)，会发生什么呢？

很可能4，5的n指向3，p都指向header。也可能addFirst后，紧接着发现getFirst已经不是刚刚加入的元素。

【解决办法】

方法一:List<String> list = Collections.synchronizedList(new LinkedList<String>())；
方法二:将LinkedList全部换成ConcurrentLinkedQueue；

Over...

参考：

1. arraylist为何是线程不安全的？

2.Vector到底是不是线程安全的？

3.LinkedList为何是线程不安全的？

4.LinkedList线程不安全该如何解决？