摘要
ArrayList和LinkedList是对List接口的不同数据结构的实现。它们都是线程不安全的，线程不安全往往出现在数组的扩容、数据添加的时候。
一、ArrayList和LinkedList是什么？
ArrayList：ArrayList是List接口的可变数组的实现。
LinkedList：LinkedList是List接口的（双向）链表实现。
二、两个List的数据结构
1、ArrayList的数据结构
ArrayList的类继承图如下：
存储
ArrayList使用数组（elememntData）存储数据，默认构造方法创建ArrayList时，会初始化一个空数组。
扩容
ArrayList使用数组存储数据，因此在添加数据的时候需要做容量检查，如果容量不足则需要进行扩容。
其新容量大小公式为：新容量=旧容量+旧容量/2
扩容过程请看下面源码：
public boolean add(E e) {
// 容量检查
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 计算数组需要的最小容量
private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
}
ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}
// 判断是否需要扩容，如果需要则扩容
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
// modCount表示List结构修改的次数，快速失败机制会用到，快速失败机制在后面会详细说明。
modCount++;
// overflow-conscious code
if (minCapacity - elementData.length > 0)
grow(minCapacity);
}
private void grow(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int oldCapacity = elementData.length;
// 新容量=旧容量+旧容量/2
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
if (newCapacity - minCapacity < 0)
newCapacity = minCapacity;
if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
2、LinkedList的数据结构
LinkedList的类继承图如下：
存储
LinkedList使用双向链表来存储数据。其中链表结点定义如下：
private static class Node<E> {
E item;
Node<E> next;
Node<E> prev;
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;
this.next = next;
this.prev = prev;
}
}
添加/删除元素操作
LinkedList添加删除元素，实际上就是对链表进行结点添加/删除，下面给出实现细节，以供后面的线程安全讨论使用（注意modCount发生了变化）。
// 添加元素
public boolean add(E e) {
// 往链表末尾添加元素
linkLast(e);
return true;
}
// 添加结点
void linkLast(E e) {
final Node<E> l = last;
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
// 新结点作为尾结点
last = newNode;
if (l == null)
first = newNode;
else
l.next = newNode; // 连接结点
size++;
modCount++;
}
// 删除元素（删除第一个匹配的元素）
public boolean remove(Object o) {
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
// 删除结点
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
final E element = x.item;
final Node<E> next = x.next;
final Node<E> prev = x.prev;
if (prev == null) {
first = next;
} else {
prev.next = next;
x.prev = null;
}
if (next == null) {
last = prev;
} else {
next.prev = prev;
x.next = null;
}
x.item = null;
size--;
modCount++;
return element;
}
三、线程安全讨论
首先确认一点的是，ArrayList和LinkedList均是线程不安全的，下面将分析多线程情况下会出现的一些问题。
1、快速失败（fail-fast）
快速失败，指的是使用遍历器对List进行遍历时，如果在遍历过程中，对List进行了修改，则会触发快速失败机制，抛出java.util.ConcurrentModificationException异常。
快速失败触发机制
前文谈到modCount的作用用于记录List的修改次数，在遍历器进行遍历时，代码正是通过这个值触发快速失败的。
相关核心代码如下：
int expectedModCount = modCount;
public E next() {
checkForComodification();
try {
int i = cursor;
E next = get(i);
lastRet = i;
cursor = i + 1;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
// 检查修改次数，该方法在类中多次会被调用
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
2、ArrayList添加元素时的数组越界问题
添加元素时的数组越界问题发生在扩容判断上，当当前数组容量还差一个元素达到数组扩容的临界值时。并发插入元素时对数组大小的判断均是无需扩容，但是当前数组实际上仅有一个空闲位置，因此数组越界异常就发生了。
3、添加元素被覆盖
这种异常出现情况如下面代码注释所示：
多个线程对数组同一个位置进行赋值，导致元素被覆盖。
elementData[size++] = e;
// elementData[size] = e; --- thread1
// elementData[size] = e; --- thread2
// size++; --- thread1
// size++; --- thread2
类似的分析，LinkedList添加元素时也会出现这种情况。
4、线程安全的List
同步方法
全部使用同步方法，如：Vector、Collections.synchronizedList(list)
其它加锁
其它加锁实现线程安全，如：ConcurrentLinkedDeque（自旋+CAS）、CopyOnWriteArrayList（读写锁）