Java - Java集合中的安全失败Fail Safe机制（CopyOnWriteArrayList）

Posted 2021-12-04 小小工匠

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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Java - Java集合中的安全失败Fail Safe机制（CopyOnWriteArrayList）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

Pre
概述
fail-safe的容器—CopyOnWriteArrayList
- add
- remove函数
例子
缺陷
使用场景

Pre

Java - Java集合中的快速失败Fail Fast 机制

概述

ArrayList使用fail-fast机制自然是因为它增强了数据的安全性。

但在某些场景，我们可能想避免fail-fast机制抛出的异常，这时我们就要将ArrayList替换为使用fail-safe机制的CopyOnWriteArrayList.

采用安全失败机制的集合容器，在 Iterator 的实现上没有设计抛出 ConcurrentModificationException 的代码段，从而避免了fail-fast。

fail-safe的容器—CopyOnWriteArrayList

写时复制：当我们往一个容器添加元素的时候，先将当前容器复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。

好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

add

 

public boolean add(E e) {
    // 可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 元素数组
        Object[] elements = getArray();
        // 数组长度
        int len = elements.length;
        // 复制数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 存放元素e
        newElements[len] = e;
        // 设置数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

此函数用于将指定元素添加到此列表的尾部，处理流程如下

获取锁(保证多线程的安全访问)，获取当前的Object数组，获取Object数组的长度为length，进入步骤②。
根据Object数组复制一个长度为length+1的Object数组为newElements(此时，newElements[length]为null)，进入下一步骤。
将下标为length的数组元素newElements[length]设置为元素e，再设置当前Object[]为newElements，释放锁，返回。这样就完成了元素的添加。

remove函数

public E remove(int index) {
    // 可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取数组
        Object[] elements = getArray();
        // 数组长度
        int len = elements.length;
        // 获取旧值
        E oldValue = get(elements, index);
        // 需要移动的元素个数
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0) // 移动个数为0
            // 复制后设置数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else { // 移动个数不为0
            // 新生数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            // 复制index索引之前的元素
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            // 复制index索引之后的元素
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                numMoved);
            // 设置索引
            setArray(newElements);
        }
        // 返回旧值
        return oldValue;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

①获取锁，获取数组elements，数组长度为length，获取索引的值elements[index]，计算需要移动的元素个数(length - index - 1),若个数为0，则表示移除的是数组的最后一个元素，复制elements数组，复制长度为length-1，然后设置数组，进入步骤③；否则，进入步骤②
② 先复制index索引前的元素，再复制index索引后的元素，然后设置数组。
③ 释放锁，返回旧值

例子

import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

class PutThread extends Thread {
    private CopyOnWriteArrayList<Integer> cowal;

    public PutThread(CopyOnWriteArrayList<Integer> cowal) {
        this.cowal = cowal;
    }

    public void run() {
        try {
            for (int i = 100; i < 110; i++) {
                cowal.add(i);
                Thread.sleep(50);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class CopyOnWriteArrayListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> cowal = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            cowal.add(i);
        }
        PutThread p1 = new PutThread(cowal);
        p1.start();
        Iterator<Integer> iterator = cowal.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next() + " ");
        }
        System.out.println();
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        iterator = cowal.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next() + " ");
        }
    }
}

有一个PutThread线程会每隔50ms就向CopyOnWriteArrayList中添加一个元素，并且两次使用了迭代器，迭代器输出的内容都是生成迭代器时，CopyOnWriteArrayList的Object数组的快照的内容，在迭代的过程中，往CopyOnWriteArrayList中添加元素也不会抛出异常。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 101 102 103

缺陷

由于写操作的时候，需要拷贝数组，会消耗内存，如果原数组的内容比较多的情况下，可能导致young gc或者full gc
不能用于实时读的场景，像拷贝数组、新增元素都需要时间，所以调用一个set操作后，读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求；