三种线程安全的单例模式(哪些集合是线程安全的)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

在单线程开发环境中，我们经常使用ArrayList作容器来存储我们的数据，但它不是线程安全的，在多线程环境中使用它可能会出现意想不到的结果。

多线程中的ArrayList：

我们可以从一段代码了解并发环境下使用ArrayList的情况：

public class ConcurrentArrayList { 
   
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
   
        List<Integer> list = new ArrayList<>();

        Runnable runnable = () -> { 
   
            for (int i = 0; i < 10000; i++) { 
   
                list.add(i);
            }
        };
        
        for (int i = 0; i < 2; i++) { 
   
            new Thread(runnable).start();
        }
        
        Thread.sleep(500);
        System.out.println(list.size());
    }
}

代码中循环创建了两个线程，这两个线程都执行10000次数组的添加操作，理论上最后输出的结果应该为20000，但经过多次尝试，最后只出现了两种结果：

1. 数组索引越界异常

Exception in thread "Thread-0" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 10
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:463)
	at ConcurrentArrayList.lambda$main$0(ConcurrentArrayList.java:14)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
10007

2. 输出结果小于20000

16093

虽然仍有可能得到20000的结果，但概率非常低。我们要从ArrayList的源码中去分析为什么会出现这种结果。
ArrayList数组默认初始化大小：

// 默认初始大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
...
// 数组size
private int size;

ArrayList的add方法：

public boolean add(E e) { 
   
    //确定集合的大小是否足够，如果不够则会进行扩容
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

以上面错误1：ArrayIndexOutOfBoundsException: 10为例，出现错误的步骤如下：

1. 假设某时刻Thread-0和Thread-1都执行到了elementData[size++] = e; 这步，获取的size大小都为9，此时轮到Thread-1执行
2. Thread-1执行elementData[9] = e，空间刚刚好够用，赋值完后size变为10。接着轮到Thread-0执行
3. 因为Thread-0已经跳过了ensureCapacityInternal(size + 1); 这步判断容量的检查步骤，因此它执行elementData[10] = e，而数组容量刚好为10！此时就出现了数组越界的错误。

另外，size++本身就是非原子性的，多个线程之间访问冲突，这时两个线程可能对同一个位置赋值，这就出现了出现size小于期望值的错误2结果。

线程安全的List

目前比较常用的构建线程安全的List有三种方法：

1. 使用Vector容器
2. 使用Collections的静态方法synchronizedList(List< T> list)
3. 采用CopyOnWriteArrayList容器

1.使用Vector容器

Vector类实现了可扩展的对象数组，并且它是线程安全的。它和ArrayList在常用方法的实现上很相似，不同的只是它采用了同步关键词synchronized修饰方法。
ArrayList中的add方法：

public void add(int index, E element) { 
   
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }

Vector中的add方法：

public void add(int index, E element) { 
   
    insertElementAt(element, index);
}
...
// 使用了synchronized关键词修饰
public synchronized void insertElementAt(E obj, int index) { 
   
        modCount++;
        if (index > elementCount) { 
   
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index
                                                     + " > " + elementCount);
        }
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, elementCount - index);
        elementData[index] = obj;
        elementCount++;
    }

可以看出，Vector在通用方法的实现上ArrayList并没有什么区别（这里不比较扩容方式等细节）

2. Collections.synchronizedList(List< T> list)

使用这种方法我们可以获得线程安全的List容器，它和Vector的区别在于它采用了同步代码块实现线程间的同步。通过分析源码，它的底层使用了新的容器包装原始的List。
下图是新容器的继承关系图：

synchronizedList方法：

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) { 
   
        return (list instanceof RandomAccess ?
                new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
                new SynchronizedList<>(list));
    }

因为ArrayList实现了RandomAccess接口，因此该方法返回一个SynchronizedRandomAccessList实例。
该类的add实现：

public void add(int index, E element) { 
   
    synchronized (mutex) { 
   list.add(index, element);}
}

其中，mutex是final修饰的一个对象：

final Object mutex;

我们可以看到，这种线程安全容器是通过同步代码块来实现的，基础的add方法任然是由ArrayList实现。

我们再来看看它的读方法：

public E get(int index) { 
   
    synchronized (mutex) { 
   return list.get(index);}
}

和写方法没什么区别，同样是使用了同步代码块。线程同步的实现原理非常简单！

通过上面的分析可以看出，无论是读操作还是写操作，它都会进行加锁，当线程的并发级别非常高时就会浪费掉大量的资源，因此某些情况下它并不是一个好的选择。针对这个问题，我们引出第三种线程安全容器的实现。

3. CopyOnWriteArrayList

顾名思义，它的意思就是在写操作的时候复制数组。为了将读取的性能发挥到极致，在该类的使用过程中，读读操作和读写操作都不互斥，这是一个很神奇的操作，接下来我们看看它如何实现。

    public boolean add(E e) { 
   
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try { 
   
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 复制数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            // 赋值
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally { 
   
            lock.unlock();
        }
    }

从CopyOnWriteArrayList的add实现方式可以看出它是通过lock来实现线程间的同步的，这是一个标准的lock写法。那么它是怎么做到读写互斥的呢？

// 复制数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 赋值
newElements[len] = e;

真实实现读写互斥的细节就在这两行代码上。在面临写操作的时候，CopyOnWriteArrayList会先复制原来的数组并且在新数组上进行修改，最后再将原数组覆盖。如果写操作的过程中发生了线程切换，并且切换到读线程，因为此时数组并未发生覆盖，读操作读取的还是原数组。

换句话说，就是读操作和写操作位于不同的数组上，因此它们不会发生安全问题。

另外，数组定义private transient volatile Object[] array，其中采用volatile修饰，保证内存可见性，读取线程可以马上知道这个修改。

private transient volatile Object[] array;

三种方式的性能比较

1. 首先我们来看看三种方式在写操作的情况：

public class ConcurrentList { 
   
    public static void main(String[] args) { 
   
        testVector();
        testSynchronizedList();
        testCopyOnWriteArrayList();
    }

    public static void testVector(){ 
   
        Vector vector = new Vector();
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) { 
   
            vector.add(i);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("vector: "+(time2-time1));
    }

    public static void testSynchronizedList(){ 
   
        List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) { 
   
            list.add(i);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("synchronizedList: "+(time2-time1));
    }

    public static void testCopyOnWriteArrayList(){ 
   
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) { 
   
            list.add(i);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("copyOnWriteArrayList: "+(time2-time1));
    }
}

在代码中我让Vector和SynchronizedList两种实现方式进行写操作10000000次，而CopyOnWriteArrayList仅仅只有100000次，与前两种方式少了100倍！
而结果却出乎意料：

vector: 3202
synchronizedList: 1795
copyOnWriteArrayList: 8159

第三种方式使用的时间远大于前两种，写操作越多，时间差就越明显。

看似出乎意料，实则意料之中，copyOnWriteArrayList每进行一次写操作都会复制一次数组，这是非常耗时的操作，因此在面临巨大的写操作量时才会差异这么大。

不过前两种方式之间为什么差异也很明显？可能因为同步代码块比同步方法效率更高？但是同步代码块是直接包含ArrayList的add方法，理论上两种同步方式应该差异不大，欢迎大佬指点。

我们再来看看三种方式在读操作的情况：

2. 我们再来看看三种方式在读操作的情况：

public class ConcurrentList { 
   
    public static void main(String[] args) { 
   
        testVector();
        testSynchronizedList();
        testCopyOnWriteArrayList();
    }

    public static void testVector(){ 
   
        Vector<Integer> vector = new Vector<>();
        vector.add(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) { 
   
            vector.get(0);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("vector: "+(time2-time1));
    }

    public static void testSynchronizedList(){ 
   
        List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
        list.add(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) { 
   
            list.get(0);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("synchronizedList: "+(time2-time1));
    }

    public static void testCopyOnWriteArrayList(){ 
   
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add(0);
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) { 
   
            list.get(0);
        }
        long time2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("copyOnWriteArrayList: "+(time2-time1));
    }
}

这一次三种方式都进行了10000000次读操作，结果如下：

vector: 217
synchronizedList: 224
copyOnWriteArrayList: 12

这次copyOnWriteArrayList的优势就显示出来了，它的读操作没有实现同步，因此加快了多线程的读操作。其他两种方式的差别不大。

总结

1. 获取线程安全的List我们可以通过Vector、Collections.synchronizedList()方法和CopyOnWriteArrayList三种方式
2. 读多写少的情况下，推荐使用CopyOnWriteArrayList方式
3. 读少写多的情况下，推荐使用Collections.synchronizedList()的方式

参考：

1. 并发容器(二)—线程安全的List
2. SynchronizedList和Vector的区别