原创Java并发编程系列28 | Copy-On-Write容器

Posted 2020-12-21

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了原创Java并发编程系列28 | Copy-On-Write容器相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

【原创】Java并发编程系列28 | Copy-On-Write容器

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前面两篇讲了并发编程中线程安全HashMap：ConcurrentHashMap，那么作为同样使用频率很高的List和Set，J.U.C当然也提供了相应的线程安全集合，就是Copy-On-Write容器CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。
COW设计思想
源码分析
应用场景

COW思想

这里的COW当然不是奶牛，而是Copy-On-Write的简称，即写时复制，是一种用于程序设计中的优化策略。

1.1 COW原理

COW的基本思路：

当读取共享数据时，直接读取，不需要有其他操作（比如阻塞等待、复制等）。
当写共享数据时，将旧数据复制出来一份作为新数据，只修改新数据，修改完新数据之后将新数据的引用赋值给原来数据的引用。在整个写数据的过程中，所有读取共享数据的操作都是读的旧数据。

COW容器只有写操作与写操作之间是互斥的，读读和读写都不互斥。

1.2 COW优缺点分析

优点：
效率高。因为COW保证读和写操作的不是同一份数据，共享数据在读和写时都不需要阻塞其他来读取数据的线程，所以COW有很高的效率。
保证数据一致性。因为COW保证读和写操作的不是同一份数据，读数据的操作不会读到写了一半的数据，所以能够保证数据的最终一致性。
缺点：
数据实时性差。COW在写数据完成之前一直读取旧数据，而写数据又包括复制和修改的操作，花费时间较长，导致数据实时性较差。其实COW的设计思想就是通过牺牲数据的实时性来保证数据一致性的。
内存占用大。COW中有一步复制操作，将旧数据复制出来一份作为新数据，假如旧数据本身比较大，那么新数据也要占用同样大的内存空间。类似空间换时间的思想，这里用空间换数据一致性，当然也换取了读取数据的时间。
1.3 COW应用

COW的设计思想的一些应用：内存管理（如Linux的fork()函数），数据存储（如redis），文件管理系统（如Linux的文件管理系统），软件开发（如Java的Copy-On-Write容器）。

2. 源码分析

理解了Copy-On-Write思想，CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet的源码就很容易了。本文以CopyOnWriteArrayList源码为例来分析Copy-On-Write容器。
2.1 类结构

CopyOnWriteArrayList只有两个属性，数组array用于存储数据，重入锁lock用于写操作的同步。

public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private transient volatile Object[] array;
}

2.2 get()

get()方法获取数据，真的不用注释和讲解，最简单的代码。唯一需要注意的一点就是get()方法是没有加锁的，不需要同步，读数据线程一定不会阻塞。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

final Object[] getArray() {
    return array;
}

private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

2.3 add()

代码很简单，基本过程就是按照COW思想的操作步骤：
lock锁同步
旧数组复制出一个新数组
新数组添加元素
新数组引用赋给array

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();// 1. lock锁同步
    try {
        // 2. 旧数组复制出一个新数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 3. 新数组添加元素
        newElements[len] = e;
        // 4. 新数组引用赋给array
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();// 解锁
    }
}

应用场景

Copy-On-Write并发容器用于读多写少的并发场，如商品的访问和更新，排行榜，白名单/黑名单等。
举例：一个充值排行榜的功能，排行榜会有很多人查看访问，但是只有充值之后才会修改排行榜上的数据，或者充值之后也不更新，只有每天晚上9点更新排行榜，标准的读多写少。


public class CopyOnWriteArrayListTest {
    public static CopyOnWriteArrayList<Integer> rankIds = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
    public static void addRankIds(int id) {
        /*
         * 获取id在rankIds中的排序，代码省略
         * 假设id应该在排行榜中的第一个
         */
        rankIds.add(0, id);
    }
}

4. 总结

Copy-On-Write并发容器处理并发问题的原理：

当读取共享数据时，直接读取，不需要有其他操作（比如阻塞等待、复制等）。
当写共享数据时，将旧数据复制出来一份作为新数据，只修改新数据，修改完新数据之后将新数据的引用赋值给原来数据的引用。在整个写数据的过程中，所有读取共享数据的操作都是读的旧数据。
源码的并不只在于学习编程方法，更重要的是理解源码的设计思想，能够在开发和设计中运用。
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