出場率比較高的一道多線程安全面試題

這個問題是 Java 程序員面試經常會遇到的吧。

工作一兩年的應該都知道 ArrayList 是線程不安全的，要使用線程安全的就使用 Vector，這也是各種 Java 面試寶典裏面所提及的，可能很多工作好幾年的程序員都停留在這個知識面上。

先說說爲什麼 ArrayList 是線程不安全的吧，來看以下的代碼。

/**
 * 微信公衆號：Java技術棧
 */
public class TestArrayList {

    private static List<Integer> list = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            testList();
            list.clear();
        }
    }

    private static void testList() throws InterruptedException {
        Runnable runnable = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                list.add(i);
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(runnable);
        Thread t2 = new Thread(runnable);
        Thread t3 = new Thread(runnable);

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(list.size());
    }

}

這是它的輸出結果，我們期望的結果應該都是：30000，然後並不是，這就是傳說中的多線程併發問題了。

Exception in thread "Thread-1" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 15786
    at java.base/java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:468)
    at java.base/java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:480)
    at com.test.thread.TestArrayList.lambda$testList$0(TestArrayList.java:23)
    at java.base/java.lang.Thread.run(Thread.java:844)
20332
16100
14941
23749
15631
22118
27417
30000
28691
27843

現象分析

從以上結果可以總結出 ArrayList 在併發情況下會出現的幾種現象。

1、發生 ArrayIndexOutOfBoundsException 異常；

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

定位到異常所在源代碼，毫無疑問，問題是出現在多線程併發訪問下，由於沒有同步鎖的保護，造成了 ArrayList 擴容不一致的問題。

2、程序正常運行，輸出了少於實際容量的大小；

這個也是多線程併發賦值時，對同一個數組索引位置進行了賦值，所以出現少於預期大小的情況。

3、程序正常運行，輸出了預期容量的大小；

這是正常運行結果，未發生多線程安全問題，但這是不確定性的，不是每次都會達到正常預期的。

解決方案

既然這樣，那麼在高併發情況下，使用什麼樣的列表集合保護線程安全呢？回到文章最開始的地方，使用 Vector，還有別的嗎？當然有，篇幅有限，請各位看官期待後續文章。

另外，像 HashMap, HashSet 等都有類似多線程安全問題，在多線程併發環境下避免使用這種集合。

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