CopyOnWriteArrayList并发容器源码解析
Posted mufeng3421
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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CopyOnWriteArrayList并发容器源码解析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
CopyOnWriteArrayList并发List容器源码解析
备注：下面的源码拷贝自JDK11
类结构
实现的接口
- Serializable：支持对象的序列化
- Cloneable：支持对象的复制
- RandomAccess：支持通过索引的随机访问
- List：支持List的所有操作
核心数据结构
由下面的源码实现上来看，内部还是使用和ArrayList相同的普通对象数组。而且可以看到，相较于ArrayList增加了一个对象的实例锁lock，使用synchronized关键字给增删改上锁，后面的源码样例可以更加详细的看到
public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;
/**
* The lock protecting all mutators. (We have a mild preference
* for builtin monitors over ReentrantLock when either will do.)
*/
final transient Object lock = new Object();
public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}
}
内部类
COWIterator
CopyOnWriteArrayList的内部迭代器类
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
/** Snapshot of the array */
private final Object[] snapshot;
/** Index of element to be returned by subsequent call to next. */
private int cursor;
COWIterator(Object[] es, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = es;
}
//.........
}
// CopyOnWriteArrayList的iterator方法返回一个迭代器实例就是COWIterator类的实例
public Iterator<E> iterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
COWSubList
CopyOnWriteArrayList内部子列表视图
用于返回内部某一个时刻的数组的一个字视图，子列表视图的部分的，增删改查都用到了CopyOnWriteArrayList的实例锁
private class COWSubList implements List<E>, RandomAccess {
private final int offset;
private int size;
private Object[] expectedArray;
COWSubList(Object[] es, int offset, int size) {
// assert Thread.holdsLock(lock);
expectedArray = es;
this.offset = offset;
this.size = size;
}
//.........
// 可以看到子列表的改操作用到实例锁
public E set(int index, E element) {
synchronized (lock) {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
E x = CopyOnWriteArrayList.this.set(offset + index, element);
expectedArray = getArray();
return x;
}
}
// 读操作用到实例锁
public E get(int index) {
synchronized (lock) {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
return CopyOnWriteArrayList.this.get(offset + index);
}
}
// 读操作用到实例锁
public int size() {
synchronized (lock) {
checkForComodification();
return size;
}
}
// 加操作用到实例锁
public boolean add(E element) {
synchronized (lock) {
checkForComodification();
CopyOnWriteArrayList.this.add(offset + size, element);
expectedArray = getArray();
size++;
}
return true;
}
// 删操作用到了实例锁
public E remove(int index) {
synchronized (lock) {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
E result = CopyOnWriteArrayList.this.remove(offset + index);
expectedArray = getArray();
size--;
return result;
}
}
//.........
}
COWSubListIterator
子列表视图迭代器，可以看到实现了ListIterator接口，作用和COWIterator类似，用于迭代访问数组某一个时刻的切片
private static class COWSubListIterator<E> implements ListIterator<E> {
private final ListIterator<E> it;
private final int offset;
private final int size;
COWSubListIterator(List<E> l, int index, int offset, int size) {
this.offset = offset;
this.size = size;
it = l.listIterator(index + offset);
}
}
读写线程安全的实现原理
先给出语言描述，CopyOnWriteArrayList线程安全的实现原理简单来说就是：当进行增删改操作时候，通过synchronized修饰操作方法中的对象锁lock。然后对原数组进行复制，复制出一份和原数组一模一样的拷贝，然后在拷贝上进行增删改操作。操作完成后用新的拷贝代替原数组。然后解锁，就实现了多线程间安全的操作同一个List实例。
对于读操作，不上锁，随便读。这就是CopyOnWriteArrayList适合读多写少的场景的原因
读操作源码
可以看到，对于读操作是最简单的实现。没有上任何的锁机制
public E get(int index) {
return elementAt(getArray(), index);
}
final Object[] getArray() {
return array;
}
// 没错就是你看到的这么简单，直接通过索引读取对应位置的元素
@SuppressWarnings("unchecked")
static <E> E elementAt(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
增加操作源码
public boolean add(E e) {
// 使用synchronized对lock对象锁上锁，所以多线程的修改操作都是互斥的。同时也避免了多线程写时复制出多个副本出来
synchronized (lock) {
// 1.取原数组
Object[] es = getArray();
int len = es.length;
// 2.拷贝一份新的数组实例，长度+1
es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
// 3.将新的元素放在数组的最后面
es[len] = e;
// 4.用新的数组代替老数组
setArray(es);
return true;
}
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
替换操作源码
替换操作的逻辑和增加操作是一样的，只是做了一定的优化。先判断被替换的元素和新元素是不是一样。如果一样就没必要替换了
public E set(int index, E element) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
E oldValue = elementAt(es, index);
// 如果老元素和新元素是同一个，就没必要替换了
if (oldValue != element) {
// 拷贝一份新的数组
es = es.clone();
// 替换对应位置的元素
es[index] = element;
setArray(es);
}
return oldValue;
}
}
删除操作源码
替换操作相对复杂一点，涉及到元素的两次拷贝
public E remove(int index) {
synchronized (lock) {
// 取原数组
Object[] es = getArray();
// 原数组长度
int len = es.length;
// 要移除位置的元素
E oldValue = elementAt(es, index);
// 删除位置元素之后的剩余数组右侧需要复制的长度
int numMoved = len - index - 1;
// 新的空数组
Object[] newElements;
// 移除的是原始数组的最后一个元素
if (numMoved == 0)
// 直接复制到倒数第二个元素
newElements = Arrays.copyOf(es, len - 1);
else {
// 长度减1的新空数组
newElements = new Object[len - 1];
// 将原始数组从0开始复制index个元素到新数组从0位置开始的数组中
System.arraycopy(es, 0, newElements, 0, index);
// 将原始数组跳过要移除的元素复制numMoved个元素到新数组从index开始的数组中
System.arraycopy(es, index + 1, newElements, index, numMoved);
}
setArray(newElements);
return oldValue;
}
}
CopyOnWriteArrayList的特点
- 同时读读不加锁：读高性能
- 同时写写互斥：写同步
- 同时读写不阻塞：读写分离，互相不干预
- 没有像ArrayList一样的扩容机制：因为所有的修改操作都是进行对象的复制，所以没有必要引入扩容机制
CopyOnWriteArrayList 使用场景以及注意点
从CopyOnWriteArrayList的源码实现中可以看出，为了提高列表的读写性能，对读操作是不加锁的，可以任意读。换句话说，其实多线程读同一个元素，也没必要加锁。而对增删改操作使用实例的对象锁，进行操作的同步，只需要写入和写入之间需要同步，提高整体的读写性能。
但是从实现机理上也能看出，每次的写操作都会进行数组的复制操作。如果数组长度很大的化，效率会降低。
适合的应用场景
- 读多写少的情况
- 列表规模不大的情况
参考
以上是关于CopyOnWriteArrayList并发容器源码解析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章