Java ArrayList 线程不安全示例解释

Question

class ThreadUnsafe {

    static final int THREAD_NUMBER = 2;
    static final int LOOP_NUMBER = 200; 

    public static void main(String[] args) {
        ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
        for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
            new Thread(() -> {
                test.method1(LOOP_NUMBER);
            }, "Thread" + i).start();
        }
    }

  
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {  
            method2();
            method3();
        }
    }
    private void method2() {
        list.add("1");
    }
    private void method3() {
        list.remove(0);
    }

}

上面的代码抛出

java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 1

我知道 ArrayList 不是线程安全的，但是在示例中，我认为每个 remove() 调用都保证在至少一个 add() 调用之前，因此即使顺序混乱，代码也应该没问题像下面这样：

thread0: method2()
thread1: method2()
thread1: method3()
thread0: method3() 

这里需要一些解释，请。

Answer 1

如果一个add() 或remove() 呼叫总是在另一个呼叫开始之前完全完成，那么您的推理是正确的。但是ArrayList 并不能保证它的方法不是synchronized。因此，可能会发生两个线程同时在进行一些修改调用的情况。

让我们看看例如的内部结构。 add() 方法来了解一种可能的故障模式。

添加元素时，ArrayList 使用size++ 增加大小。这不是原子的。

现在想象列表是空的，两个线程 A 和 B 在完全相同的时刻添加一个元素，并行执行 size++（可能在不同的 CPU 内核中）。让我们想象一下事情按以下顺序发生：

• A 读取大小为 0。
• B 读取大小为 0。
• A 将其值加一，得到 1。
• B 将其值加一，得到 1。
• A 将其新值写回size 字段，从而生成size=1。
• B 将其新值写回size 字段，结果为size=1。

虽然我们有 2 个 add() 调用，但 size 只有 1 个。如果现在您尝试删除 2 个元素（这一次它是按顺序发生的），第二个 remove() 将失败。

为了实现线程安全，当一个访问正在进行时，任何其他线程都不能像size（或元素数组）那样搞乱内部结构。

多线程本质上是复杂的，因为来自多个线程的调用不仅可以以任何（预期或意外）顺序发生，而且它们也可以重叠，除非受到像synchronized 这样的机制的保护。另一方面，过度使用同步很容易导致多线程性能变差，还会导致死锁。

Answer 2

作为@RalfKleberhoff's answer的补充，

我认为每个 remove() 调用都保证至少有一个 add() 调用，

是的。

所以代码应该没问题，即使订单搞砸了

不，这不是关于多线程程序的有效推论。

您的程序包含 数据竞争，这是因为两个线程都访问同一个共享的非原子对象，其中一些访问是写入，没有适当的同步。包含数据竞争的程序的整个行为是未定义的，因此实际上您根本无法就其行为得出任何结论。

不要试图欺骗或吝啬同步。通过限制对共享对象的使用，尽量减少你需要的数量，但是在你需要它的地方，你需要它，并且确定何时何地需要它的规则并不难学习。

Answer 3

ArrayList 在 java 文档中说，

请注意，此实现不同步。如果多个线程 同时访问一个 ArrayList 实例，并且至少其中一个 线程在结构上修改列表，它必须同步 外部。

为什么这段代码不是线程安全的？

在 Machine 上运行的多个线程彼此独立运行。

  public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {  
            method2();
            method3();
        }
    }

这里method2()和method3()正在处理在 线程，但不是跨线程。 ArrayList list 在两个线程之间是通用的。这将在多核系统上的两个线程之间处于 inconstant 状态。

有趣的测试是在method3() 中添加空检查并设置LOOP_NUMBER = 10000；

private void method3()
{
    if (!list.isEmpty())
        list.remove(0);
}

结果你应该得到相同的运行时异常，比如java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 1或java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0，因为list中变量的状态inconstant，即size。

要解决此问题，您可以添加如下所示的同步或使用 Syncronized list

public void method1(int loopNumber)
{
    for (int i = 0; i < loopNumber; i++)
    {
        synchronized (list)
        {
            method2();
            method3();
        }
    }
}