Java ArrayList 线程不安全示例说明

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，但在这个例子中，我认为每个 remove() 调用都保证在至少一个 add() 调用之前，所以即使顺序混乱，代码也应该没问题，如下所示：

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

这里需要一些解释，请。

Answer 1

如果总是一个add()或remove()呼叫在另一个开始之前完全完成，那么您的推理是正确的。但ArrayList不能保证，因为它的方法不是synchronized. 因此，可能会发生两个线程同时进行一些修改调用的情况。

让我们看看内部add()原理，例如了解一种可能的故障模式的方法。

添加元素时，ArrayList使用 增加大小size++。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，size++并行执行（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 在其值上加 1，得到 1。
• B 在其值上加 1，得到 1。
• A 将其新值写回该size字段，结果为size=1。
• B 将其新值写回该size字段，结果为size=1。

尽管我们有 2 次add()调用，但size只有 1 次。如果现在您尝试删除 2 个元素（这次是顺序发生的），第二次remove()将失败。

为了实现线程安全，size当一个访问正在进行时，没有其他线程应该能够处理内部（或元素数组）之类的内部结构。

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（预期的或意外的）顺序发生，而且它们也可以重叠，除非受到某种机制的保护，如synchronized. 另一方面，过度使用同步很容易导致多线程性能不佳，也会导致死锁。