看山聊并发：如果非要在多线程中使用 ArrayList 会发生什么？（第二篇）

以你之姓@ 2021-09-25 11:24 212阅读 0赞

![如果非要在多线程中使用 ArrayList 会发生什么？（第二篇）][ArrayList]

你好，我是看山。

前面写过一篇文章 [《如果非要在多线程中使用 ArrayList 会发生什么？》][ArrayList 1]，有读者反馈，Java 11 代码已经修复，还会出现 null 元素。

为了便于理解，当时只是通过代码执行顺序说明了异常原因。其实多线程中还会涉及 Java 内存模型，本文就从这方面说明一下。

## 对比源码 ##

我们先来看看 Java 11 中，`add`方法做了什么调整。

Java 8 中`add`方法的实现：

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

Java 11 中`add`方法的实现：

public boolean add(E e) { 
        modCount++;
        add(e, elementData, size);
        return true;
    }
    
    private void add(E e, Object[] elementData, int s) { 
        if (s == elementData.length)
            elementData = grow();
        elementData[s] = e;
        size = s + 1;
    }

两段逻辑的差异在于数组下标是否确定：

*  `elementData[size++] = e;`，Java 8 中直接使用`size`定位并赋值，然后通过`size++`自增
 *  `elementData[s] = e; size = s + 1;`，Java 11 借助临时变量`s`定位并赋值，然后通过`size = s + 1`给`size`赋新值

Java 11 的优点在于，为数组指定元素赋值的时候，下标值是确定的。也就是说，只要进入`add(E e, Object[] elementData, int s)`方法中，就只会处理指定位置的数组元素。并且，`size`的值也是根据`s`增加。按照执行顺序推断，最终的结果可能会丢数，但是不会出现 null。（多个线程向同一个下标赋值，即`s`相等，那最终`size`也相等。）

## 验证一下 ##

让我们来验证下。

package com.kuaishou.is.datamart;
    
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    
    public class Main { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            List<String> list = new ArrayList<>();
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
            CountDownLatch waiting = new CountDownLatch(3);
            Thread t1 = new Thread(() -> { 
                try { 
                    latch.await();
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
                        list.add("1");
                    }
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                } finally { 
                    waiting.countDown();
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> { 
                try { 
                    latch.await();
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
                        list.add("2");
                    }
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                } finally { 
                    waiting.countDown();
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> { 
                try { 
                    latch.await();
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
                        list.add("2");
                    }
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                } finally { 
                    waiting.countDown();
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
            latch.countDown();
            waiting.await();
            System.out.println(list);
        }
    }

在 Java 8 和 Java 11 中分别执行，果然，出现了`ArrayIndexOutOfBoundsException`和`null`的情况。如果没有出现，那就是姿势不对，需要多试几次或者多几个线程。

## 换个角度想问题 ##

上一篇通过代码执行顺序解释了出现问题的原因，这次再看看 JMM 的原因。

![jmm][]

从上图我们可以看到，Java 为每个线程创建了一个本地内存区域，也就是说，代码运行过程中使用的数据，是线程本地缓存的数据。这份缓存的数据，会与主内存的数据做交换（更新主内存数据或更新本次缓存中的数据）。

我们通过一个时序图看下为什么会出现 null（数组越界异常同理）：

![多线程场景下 ArrayList\#add 方法的时序图][ArrayList_add]

从时序图我们可以看出现，在执行过程中，两个线程取的`size`值和`elementData`数组地址，大部分是操作自己本地缓存中的，执行一段时间后，会将本地缓存中的数据写回主内存数据，然后还会从主内存中读取最新数据更新本地缓存数据。异常就在这个交换过程中发生了。

这个时候，可能有读者会想，是不是把`size`和`elementData`两个变量加上`volatile`就可以解决了。如果这样想，那你就想简单。线程安全是整个类设计实现时已经确定了，除了属性需要考虑多线程的影响，方法（主要是会修改属性元素的方法）也需要考虑。

`ArrayList`的定位是非线程安全的，其中的所有方法都没有考虑多线程下为共享资源加锁。即使`size`和`elementData`两个变量都是实时读写主内存，但是`add`和`grow`方法还是可能会覆盖另一个线程的数据。

我们从`ArrayList`的`add`方法注释可以得知，方法拆分不是为了实现线程安全，而是为了执行效率和内存占用：

> This helper method split out from add(E) to keep method bytecode size under 35 (the -XX:MaxInlineSize default value), which helps when add(E) is called in a C1-compiled loop.

所以说，在多线程场景下使用`ArrayList`，该出现的异常，一个也不会少。

## 推荐阅读 ##

1.  [如果非要在多线程中使用 ArrayList 会发生什么？][ArrayList 2]
2.  [如果非要在多线程中使用 ArrayList 会发生什么？（第二篇）][ArrayList 3]

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