源码角度分析Java ArrayList为什么是线程不安全的

面试中一个经常被问到的问题就是：ArrayList是否是线程安全的？

答案当然很简单，无论是背来的还是自己看过源码，我们都知道它是线程不安全的。那么它为什么是线程不安全的呢？它线程不安全的具体体现又是怎样的呢？我们从源码的角度来看下。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * default capacity:默认初始大小为10
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * 用于空实例的共享空数组实例。
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * 存储ArrayList的元素的数组缓冲区。
     * ArrayList的容量是此数组缓冲区的长度. 任何包含elementData的空ArrayList == 
     * 添加第一个元素时，DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA将扩展为DEFAULT_CAPACITY.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

    /**
     * ArrayList的大小（它包含的元素数）。
     *
     * @serial
     */
    private int size;
}

所以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。

接着我们看下最重要的add操作时的源代码：

/**
 * 添加一个元素时，做了如下两步操作
 * 1.判断列表的capacity容量是否足够，是否需要扩容
 * 2.真正将元素放在列表的元素数组里面
 */
public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!（确认有线程正在更改数组）
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

/**
* 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。
*/
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

/**
* DEFAULT_CAPACITY = 10
* 也就是如果初始时数组长度比默认的数组长度（10）小的话，返回DEFAULT_CAPACITY ，
* 否则返回用户自定义的数组长度
*/
private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

/**
* ensureExplicitCapacity：如果数组add元素后长度大于minCapacity，那就要扩容。
* 详解modCount
* 这个字段被用于  iterator 和  list  iterator ， 如果这个值被意外的修改， 
* 这个迭代器将会抛出一个 ConcurrentModificationException 异常
*/
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

    // overflow-conscious code（考虑溢出）
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

/**
* private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
* 数组扩容。新的数组容量是数组的1.5倍，也就是增加50%容量。
*/
private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    // MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8 = 2 ^ 32 -9
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

由此看到add元素时，实际做了两个大的步骤：

• 判断elementData数组容量是否满足需求
• 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：

• 列表大小为9，即size=9
• 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。
• 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。
• 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。
• 线程B也发现需求大小为10，也可以容纳，返回。
• 线程A开始进行设置值操作， elementData[size++] = e 操作。此时size变为10。
• 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a, b两步操作构成：
a. elementData[size] = e;
b. 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：

• 列表大小为0，即size=0
• 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。
• 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。
• 线程A开始将size的值增加为1
• 线程B开始将size的值增加为2

也就是理想的执行情况为a, b；a, b；实际却是a, a；b, b；

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。

Java容器的快速报错机制ConcurrentModificationException

Java容器有一种保护机制，能够防止多个进程同时修改同一个容器的内容。如果你在迭代遍历某个容器的过程中，另一个进程介入其中，并且插入，删除或修改此容器的某个对象，就会立刻抛出ConcurrentModificationException。

前文提到的迭代遍历指的就是使用迭代器Iterator(ListIterator)或者forEach语法，实际上一个类要使用forEach就必须实现Iterable接口并且重写它的Iterator方法所以forEach本质上还是使用Iterator。

实例

package com.jian8.juc.collection;

import java.util.*;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

/**
 * 集合类不安全问题
 * ArrayList
 */
public class ContainerNotSafeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        notSafe();

    /**
     * 故障现象
     * java.util.ConcurrentModificationException
     * 原因：add的时候modCount被修改，打印list的时候会用到iterator遍历，
     * 而遍历的时候会检查modCount的值与期望的值是否相等。
     */
    public static void notSafe() {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 1; i <= 30; i++) {
            new Thread(() -> {
                list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
                System.out.println(list);
            }, "Thread " + i).start();
        }
    }

附录

modCount参数可以参考：
https://blog.csdn.net/qq_34579060/article/details/93715142?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-4&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-4

private class Itr implements Iterator<E> {
    /**
     * Index of element to be returned by subsequent call to next.
     */
    int cursor = 0;

    /**
     * Index of element returned by most recent call to next or
     * previous.  Reset to -1 if this element is deleted by a call
     * to remove.
     */
    int lastRet = -1;

    /**
     * 迭代器认为iterator 应该具有的modCount值。如果与期望值不同，
     * 则迭代器已检测到并发修改（concurrent modification）.
     */
    int expectedModCount = modCount;
	final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size();
    }

    public E next() {
        checkForComodification();
        try {
            int i = cursor;
            E next = get(i);
            lastRet = i;
            cursor = i + 1;
            return next;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
            checkForComodification();
            throw new NoSuchElementException();
        }
    }

    public void remove() {
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();

        try {
            AbstractList.this.remove(lastRet);
            if (lastRet < cursor)
                cursor--;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }  
}

public boolean add(E e) {
    add(size(), e);
    return true;
}

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);
    //先checkForComodification再添加元素
    checkForComodification();
    l.add(index+offset, element);
    this.modCount = l.modCount;
    size++;
}