为什么说ArrayList是线程不安全的？

一.概述

对于ArrayList，相信大家并不陌生。这个类是我们平时接触得最多的一个列表集合类。

面试时相信面试官首先就会问到关于它的知识。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。

二.源码分析

首先看看这个类所拥有的部分属性字段：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List 
  
    , RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { 
   / * 列表元素集合数组 * 如果新建ArrayList对象时没有指定大小，那么会将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData， * 并在第一次添加元素时，将列表容量设置为DEFAULT_CAPACITY */ transient Object[] elementData; 
   / * 列表大小，elementData中存储的元素个数 */ 
   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：

public boolean add(E e) { / * 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 */ ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } 

ensureCapacityInternal()这个方法的详细代码我们可以暂时不看，它的作用就是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。

由此看到add元素时，实际做了两个大的步骤：

1. 判断elementData数组容量是否满足需求
2. 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：

1. 列表大小为9，即size=9
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 线程B也发现需求大小为10，也可以容纳，返回。
6. 线程A开始进行设置值操作， elementData[size++] = e 操作。此时size变为10。
7. 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，它由如下两步操作构成：

1. elementData[size] = e;
2. 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：

1. 列表大小为0，即size=0
2. 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。
3. 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。
4. 线程A开始将size的值增加为1
5. 线程B开始将size的值增加为2

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。

接下来我们用个小例子验证一下。

三.案例复现

我们用如下的代码可以进行安全性的校验：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final List 
  
    list = 
   new ArrayList 
   
     (); 
    // 线程A将0-1000添加到list 
    new Thread( 
    new Runnable() { 
    public 
    void 
    run() { 
    for ( 
    int i = 
    0; i < 
    1000 ; i++) { list.add(i); 
    try { Thread.sleep( 
    1); } 
    catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }).start(); 
    // 线程B将1000-2000添加到列表 
    new Thread( 
    new Runnable() { 
    public 
    void 
    run() { 
    for ( 
    int i = 
    1000; i < 
    2000 ; i++) { list.add(i); 
    try { Thread.sleep( 
    1); } 
    catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }).start(); Thread.sleep( 
    1000); 
    // 打印所有结果 
    for ( 
    int i = 
    0; i < list.size(); i++) { System. 
    out.println( 
    "第" + (i + 
    1) + 
    "个元素为：" + list. 
    get(i)); } } 
    
  

最后的输出结果中，有如下的部分：

第7个元素为：3 第8个元素为：1003 第9个元素为：4 第10个元素为：1004 第11个元素为：null 第12个元素为：1005 第13个元素为：6 

可以看到第11个元素的值为null，这也就是我们上面所说的情况。

多测试几次的话，数组越界的异常也可以复现出来。