ArrayList的实现原理以及实现线程安全

发布于:2021-11-29 22:38:13

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一、ArrayList概述
    ArrayList是基于数组实现的,是一个动态的数字,可以自动扩容。ArrayList不是线程安全的,效率比较高,只能用于单线程的环境中,在多线程环境中可以使用Collections.synchronizedList(List list)函数返回一个线程安全的ArrayList集合,或者使用concurrent并发包下的CopyOnWriteArrayList的。

//使用Collections.synchronizedList(List list)方法实现线程安全
List list=Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());


二、通过源码解析Collections.synchronizedList(List list)方法如何实现线程安全?

public static List synchronizedList(List list1) {
return ((List) ((list1 instanceof RandomAccess) ? new SynchronizedRandomAccessList(list1)
: new SynchronizedList(list1)));
}

?????? ? 通过判断传入的list类是否为RandomAccess类,如果是则实例化SynchronizedRandomAccessList,如果不是,则实例化SynchronizedList。如果你传入的list集合是ArrayList或者Vector。那么则是实例化SynchronizedRandomAccessList。我们从源码可以查看原因:


ArrayList集合源码


public class ArrayList extends AbstractList implements List, RandomAccess, Cloneable, Serializable {

Vector集合源码:


public class Vector extends AbstractList implements List, RandomAccess, Cloneable, Serializable {

????? ? 我们可以发现ArrayList和Vector集合两者都实现了List和RandomAccess接口。接下来看看SynchronizedRandomAccessList类的实现:


static class SynchronizedRandomAccessList extends SynchronizedList implements RandomAccess {

public List subList(int i, int j)
{
Object obj = mutex;
return new SynchronizedRandomAccessList(list.subList(i, j), mutex);
}

private Object writeReplace() {
return new SynchronizedList(list);
}

private static final long serialVersionUID = 1530674583602358482L;

SynchronizedRandomAccessList(List list1) {
super(list1);
}

SynchronizedRandomAccessList(List list1, Object obj) {
super(list1, obj);
}
}

? ? ? ?因为SynchronizedRandomAccessList这个类继承自SynchronizedList,而大部分方法都在SynchronizedList中实现了,所以源码中只包含了很少的方法。我们来看看SynchronizedList的源码:


static class SynchronizedList
extends SynchronizedCollection
implements List {
private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;

final List list;

SynchronizedList(List list) {
super(list);
this.list = list;
}
SynchronizedList(List list, Object mutex) {
super(list, mutex);
this.list = list;
}

public boolean equals(Object o) {
if (this == o)
return true;
synchronized (mutex) {return list.equals(o);}
}
public int hashCode() {
synchronized (mutex) {return list.hashCode();}
}

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

public int indexOf(Object o) {
synchronized (mutex) {return list.indexOf(o);}
}
public int lastIndexOf(Object o) {
synchronized (mutex) {return list.lastIndexOf(o);}
}

public boolean addAll(int index, Collection c) {
synchronized (mutex) {return list.addAll(index, c);}
}

public ListIterator listIterator() {
return list.listIterator(); // Must be manually synched by user
}

public ListIterator listIterator(int index) {
return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user
}

public List subList(int fromIndex, int toIndex) {
synchronized (mutex) {
return new SynchronizedList<>(list.subList(fromIndex, toIndex),
mutex);
}
}

@Override
public void replaceAll(UnaryOperator operator) {
synchronized (mutex) {list.replaceAll(operator);}
}
@Override
public void sort(Comparator c) {
synchronized (mutex) {list.sort(c);}
}
... ...
}

? ? ? ?可以发现SynchronizedList方法中地方都用到了同步锁,并且参数都是mutex。我们通过点击mutex字段进入到SynchronizedCollection类中,可以得知mutex是在SynchronizedCollection类中定义的。我们继续查看SynchronizedCollection部分源码:


static class SynchronizedCollection implements Collection, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 3053995032091335093L;
final Collection c; // Backing Collection
final Object mutex; // Object on which to synchronize

SynchronizedCollection(Collection c) {
if (c==null)
throw new NullPointerException();
this.c = c;
mutex = this;
}

SynchronizedCollection(Collection c, Object mutex) {
this.c = c;
this.mutex = mutex;
}
}

????? ? 可以发现其实我们调用synchronizedList方法的使用,内部锁都是一样的,所以它可以实现线程的同步。



三、通过源码解析CopyOnWriteArrayList如何做到线程安全的?

CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法,当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList时,先从原有的数组中拷贝一份出来,然后在新的数组做写操作,写完之后,再将原来的数组引用指向到新数组。


当有新元素加入的时候,如下图,创建新数组,并往新数组中加入一个新元素,这个时候,array这个引用仍然是指向原数组的。



当元素在新数组添加成功后,将array这个引用指向新数组。



CopyOnWriteArrayList的整个add操作都是在锁的保护下进行的。?
这样做是为了避免在多线程并发add的时候,复制出多个副本出来,把数据搞乱了,导致最终的数组数据不是我们期望的。我们来看看CopyOnWriteArrayList源码:


transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private volatile transient Object[] array;//保证了线程的可见性

public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;//ReentrantLock 保证了线程的可见性和顺序性,即保证了多线程安全。
//1、先加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);2、拷贝数组,在原先数组基础之上新建长度+1的数组,并将原先数组当中的内容拷贝到新数组当中。

//3、将元素加入到新数组中
newElements[len] = e;
//4、将array引用指向到新数组
setArray(newElements);//对新数组进行赋值
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}

由于所有的写操作都是在新数组进行的,这个时候如果有线程并发的写,则通过锁来控制,如果有线程并发的读,则分几种情况:?
1、如果写操作未完成,那么直接读取原数组的数据;?
2、如果写操作完成,但是引用还未指向新数组,那么也是读取原数组数据;?
3、如果写操作完成,并且引用已经指向了新的数组,那么直接从新数组中读取数据。


可见,CopyOnWriteArrayList的读操作是可以不用加锁的。



四、Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList

? ? ? ?CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现,其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差,而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多,而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式,其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下,应该选择不同的多线程安全实现类。


?








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