不可变易失数组上的 Java foreach 循环是线程安全的吗？答案

【问题标题】：Is a Java foreach loop over an immutable volatile array thread-safe?不可变易失数组上的 Java foreach 循环是线程安全的吗？
【发布时间】：2018-10-14 10:52:38
【问题描述】：

我有一个对不可变数组的可变引用，该数组通过将引用替换为新版本来异步更改。在这个数组上使用 foreach 迭代时，它是否保证是线程安全的？

例子：

class MyClass
{ 
  volatile String[] m_array = new String[0];

  public synchronized void add(String n)
  { m_array = ArrayUtils.add(m_array, n); // atomic replace
  }

  public void iterate() // not synchronized!
  { // Do something with each element
    for (String s : m_array)
      System.out.println(s);
  }
}

我为什么要问这个问题？

Java 中的 foreach 循环通常会扩展为 Iterator：

Iterator<String> i = m_array.iterator();
while(i.hasNext())
  ...

在这种情况下，只有一次访问 m_array 可以有效地拍摄原子快照。所以一切都很好。

但是，如果未来的 Java 实现优化 foreach 用于原始数组，因为在这种情况下迭代器非常慢，该怎么办？（见foreach vs. for performance）

实现可能会生成类似的代码

for (int i = 0; i < m_array.length; i++)
{ String s = m_array[i];
  ...

这不再是线程安全的，因为对m_array 的多次访问。在这种情况下，当字段为 volatile 时，需要一个快照为 m_array 的临时变量。

是否保证上述优化永远不会以这种方式发生并且我的代码示例保证是安全的？

【问题讨论】：

您说“只有一次访问 m_array”。你认为迭代器做了什么？它在整个循环期间访问 m_array。直接访问原始数组的优化不会有太大的不同。
附带说明一下，Java 有一个 List 类型，它的工作方式与您想象的一样：CopyOnWriteArrayList
@Rudi Velthuis 不，迭代器根本不访问m_array。它只访问由 m_array 引用的数组。这是安全的，因为后者是不可变的。

标签： java arrays foreach volatile

【解决方案1】：

是的，在 volatile 数组引用上使用增强的 for 循环对于 volatile 字段的异步更改是线程安全的。

基本原理

但是，如果未来的 Java 实现针对原始数组优化 foreach，因为在这种情况下迭代器非常慢，该怎么办？

Iterators 不用于数组的增强 for 循环，仅用于Iterables。 Java 语言规范保证循环内的每个数组访问对于每次迭代都在同一个实例上，即使 m_array 的值在迭代期间发生了变化。使用以下等效代码为数组指定增强的 for 循环：

T[] #a = Expression;
L1: L2: ... Lm:
for (int #i = 0; #i < #a.length; #i++) {
    VariableModifiersopt TargetType Identifier = #a[#i];
    Statement
}

见14.14.2。这里的关键点是Expression，在你的情况下是this.m_array，只评估一次。

重要的是要强调迭代使用对数组的引用，而不是它的副本，因此数组中的元素可能会在迭代期间发生变化。但是，我从您的代码示例中假设您知道这不可能发生。

【讨论】：