![[Java并发]线程安全的List](/0.jpg)
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：
使用Vector容器
使用Collections的静态方法synchronizedList(List< T> list)
采用CopyOnWriteArrayList容器
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）
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
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。
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
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
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
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：
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
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
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
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
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
读多写少的情况下，推荐使用CopyOnWriteArrayList方式
读少写多的情况下，推荐使用Collections.synchronizedList()的方式