ArrayList在多線程調用Add()添加元素時的下標越界問題(java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException)

最近在看《實戰Java虛擬機器》一書，看到有關鎖與並發章節時，看到如下一個多線程使用ArrayList的例子：

       兩個線程t1和t2同時向numberList中添加資料，由於ArrayList是線程不安全的，因此會導致添加的資料有錯誤，這個我還是能理解的，但是它報的確是如下錯誤：

       我就有點理解不了了，ArrayList不是自動擴容、沒有長度限制嗎，為什麼還會出現數組下標越界這種錯誤呢。

       為了便於分析，我對代碼進行了一點點修改：

  執行結果為：

有時還會出現null，

       帶著種種不解，來看ArrayList添加流程：

       首先，ArrayList是基於數組實現的，是一個動態數組，其容量能自動成長，類似於C語言中的動態申請記憶體，動態增長記憶體。

       對於ArrayList而言，它實現List介面、底層使用數組儲存所有元素。其操作基本上是對數組的操作。

       1、程式中報錯的 at java.util.ArrayList.elementData(ArrayList.java:400) 和 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:441)，它們同屬Add()方法。   

       源碼如下：                                                                                                                                                                       

添加操作，首先會調用ensureCapacityInternal(size + 1)，其作用為保證數組的容量始終夠用，其中size是elementData數組中元組的個數，初始為0。

在ensureCapacityInternal()函數中，用if判斷，如果數組沒有元素，給數組一個預設大小，會選擇執行個體化時的值與預設大小中較大值，然後調用ensureExplicitCapacity()。

    函數體中，modCount是數組發生size更改的次數。然後if判斷，如果數組長度小於預設的容量10，則調用擴大數組大小的方法grow()。

    函數grow()解釋了基於數組的ArrayList是如何擴容的。數組進行擴容時，會將老數組中的元素重新拷貝一份到新的數組中，每次數組容量的增長大約是其原容量的1.5倍。

       接下來回到Add()函數，繼續執行，elementData[size++] = e; 這行代碼就是問題所在，當添加一個元素的時候，它可能會有兩步來完成：1. 在 elementData[Size] 的位置存放此元素；2. 增大 Size 的值。

       在單線程啟動並執行情況下，如果 Size = 0，添加一個元素後，此元素在位置 0，而且 Size=1；

       而如果是在多線程情況下，比如有兩個線程，線程 A 先將元素存放在位置 0。但是此時 CPU 調度線程A暫停，線程 B 得到啟動並執行機會。線程B也向此 ArrayList 添加元素，因為此時 Size 仍然等於 0 （注意哦，我們假設的是添加一個元素是要兩個步驟哦，而線程A僅僅完成了步驟1），所以線程B也將元素存放在位置0。然後線程A和線程B都繼續運行，都增加 Size 的值。那好，我們來看看 ArrayList 的情況，元素實際上只有一個，存放在位置 0，而 Size 卻等於 2。這就是“線程不安全”了。這就解釋了為何集合中會出現null。

       但是數組下標越界還不能僅僅依靠這個來解釋。我們觀察發生越界時的數組下標，分別為10、15、22、33、49和73。結合前面講的數組自動機制，數組初始長度為10，第一次擴容為15=10+10/2，第二次擴容22=15+15/2，第三次擴容33=22+22/2...以此類推，我們不難發現，越界異常都發生在數組擴容之時。

       由此給了我想法，我猜想是，由於沒有該方法沒有同步，導致出現這樣一種現象，用第一次異常，即下標為15時的異常舉例。當集合中已經添加了14個元素時，一個線程率先進入add()方法，在執行ensureCapacityInternal(size + 1)時，發現還可以添加一個元素，故數組沒有擴容，但隨後該線程被阻塞在此處。接著另一線程進入add()方法，執行ensureCapacityInternal(size + 1)，由於前一個線程並沒有添加元素，故size依然為14，依然不需要擴容，所以該線程就開始添加元素，使得size++，變為15，數組已經滿了。而剛剛阻塞在elementData[size++] = e;語句之前的線程開始執行，它要在集合中添加第16個元素，而數組容量只有15個，所以就發生了數組下標越界異常。