Java 多线程与 ArrayList 的线程安全性
在 Java 中，多线程编程是一种常见的方式，它能提高程序的执行效率，特别是在处理 I/O 操作或计算密集型任务时。然而，在多线程环境中，处理共享资源时的线程安全问题就显得尤为重要。ArrayList 是 Java 中一种广泛使用的集合类，但它本身并不是线程安全的。本文将探讨 Java 中 ArrayList 的线程安全性，提供相关示例，并给予建议如何在多线程环境中安全使用集合。
ArrayList 是线程不安全的
ArrayList 允许多个线程同时读取和写入，但如果多个线程同时修改 ArrayList，就会导致数据不一致或抛出异常。例如，当一个线程正在添加元素时，另一个线程可能正在遍历 ArrayList，这可能会导致 ConcurrentModificationException。
示例代码
以下示例展示了在没有适当线程同步机制的情况下使用 ArrayList：
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class UnsynchronizedArrayList {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
// 创建多个线程同时访问同一个 ArrayList
Runnable task = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
list.add(i);
}
};
Thread thread1 = new Thread(task);
Thread thread2 = new Thread(task);
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 输出列表的大小
System.out.println("ArrayList size: " + list.size());
}
}
在上述代码中，我们创建了两个线程同时向同一个 ArrayList 中添加元素。由于没有使用任何同步机制，最终打印出来的 ArrayList 大小可能会小于 2000，甚至可能抛出异常。
避免线程安全问题的方法
为了在多线程环境中安全使用 ArrayList，我们可以有两种主要方案：使用 Collections.synchronizedList 方法或使用线程安全的集合类，比如 CopyOnWriteArrayList。
使用 Collections.synchronizedList
Collections.synchronizedList 创建一个线程安全的 List，但在迭代时仍需要手动同步。以下是使用 synchronizedList 的示例：
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
public class SynchronizedArrayList {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
Runnable task = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
list.add(i);
}
};
Thread thread1 = new Thread(task);
Thread thread2 = new Thread(task);
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 输出列表的大小
synchronized (list) {
System.out.println("Synchronized ArrayList size: " + list.size());
}
}
}
在这个示例中，我们使用 Collections.synchronizedList 来包装 ArrayList，确保线程更安全。但在迭代访问时，还需要额外的同步代码。
使用 CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList 是一种更为优雅的线程安全解决方案。当写入操作（如添加或删除元素）发生时，它会创建一个新的内部数组副本，所有的读操作将在这个副本上进行。这样可以确保读取操作不被写入操作影响。
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
public class CopyOnWriteArrayListExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
Runnable task = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
list.add(i);
}
};
Thread thread1 = new Thread(task);
Thread thread2 = new Thread(task);
thread1.start();
thread2.start();
try {
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("CopyOnWriteArrayList size: " + list.size());
}
}
饼状图
在选择集合类型时，不同场景下的选择会影响性能和安全性。下面的饼状图展示了不同集合类型在多线程环境中的使用场景：
pie
title 集合类型使用场景占比
"ArrayList": 30
"Synchronized List": 30
"CopyOnWriteArrayList": 40
序列图
多线程环境下，任务的执行和资源共享关系可以使用序列图表示，如下所示：
sequenceDiagram
participant T1 as Thread 1
participant T2 as Thread 2
participant L as List (ArrayList)
T1->>L: add(1)
T2->>L: add(2)
T1->>L: add(3)
T2->>L: iterate
L-->>T2: ConcurrentModificationException
这个序列图展示了两个线程同时对 ArrayList 进行写与读操作，结果可能导致异常。
结论
在多线程编程中，选择合适的集合类型是至关重要的。虽然 ArrayList 提供了快速访问和添加功能，但在多线程环境中，使用它需要小心。可以选择 Collections.synchronizedList 或 CopyOnWriteArrayList 来解决线程安全问题。总之，理解不同集合类型的线程安全特性，并根据具体需求选择适当的实现，是编写安全高效 Java 多线程代码的关键。
