如果非要在多线程中使用 ArrayList 会发生什么？（第二篇）

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？》，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

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。

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