详解CopyOnWriteArrayList

Posted 2021-01-19 longfurcat

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了详解CopyOnWriteArrayList相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言

　　之前看《Java并发编程》这本书的时候，有看到这个，只记得"读多写少"、"写入时复制"。书中没有过多讲述，只是一笔带过（不过现在回头看，发现讲的都是精髓。老外的书大多重理论，喜欢花大篇幅讲概念，这点我非常喜欢）记得当时是觉得可能有点难，先跳过了，结果就忘记回头看了。今天突然想起来，就看了一下，整理一点东西。

非线程安全的ArrayList

我们知道原来util包中的ArrayList是不提供同步的，也就是说当多个线程读写ArrayList的时候可能出现线程安全问题。例如，就add操作而言

ArrayList的add方法:

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我们把elementData[size++] = e 分为两步：

elementData[size]=e
size++

如果调用两次add操作，期待结果应该是这样的：

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但是，如果存在两个线程A、B几乎同时操作add方法，由于无法保证add操作的原子性，实际操作时序可能如下。

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那么，对应的结果就会是这样：

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这里就发生大问题了，e1被后续添加的e2覆盖。e1丢失，而size却仍旧递增两位。

线程安全的ArrayList——SynchronizedList

Collections实用类（注意，不是Collection接口）提供同步容器包装，将普通的集合包装成线程安全的集合。

例如，通过Collections.synchronizedList(List<T>)方法，可以把一个非线程安全的List集合变为线程安全的集合。

这里其实是一个装饰器模式的应用，参数集合List将被装饰为SynchronizedList。

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其是Collections的内部类。

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通过对每个方法调用都进行同步加锁，使得多个线程读写ArrayList只能按序进行。这样的话，数据的安全性和一致性都得到了保证。

缺点也非常明显，每个线程读写ArrayList都需进行同步，开销大。

迭代过程中的异常 —— ConcurrentModificationException

在ArrayList的实现中，其迭代器实现了一个方法checkForComodification 这个方法会检查迭代期间是否有其他线程修改了集合，如果有，则抛出ConcurrentModificationException。

原理

主要跟两个字段有关：

expectedModCount（来自ArrayList的迭代器Itr）
modCount（来自ArrayList的父类AbstractList，初始为0）。

ArrayList实现中，每执行一次添加操作，都会让modCount+1。

注意：addAll也是让modCount+1，与添加的元素个数无关。remove和set操作不算，其不会让modCount有所改变。

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ArrayList的迭代器中，expectedModCount的初始值被设定为modCount。

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迭代器在每次遍历时，会调用checkForComodification 检查状态，如果此过程中集合发生了改动，则直接抛出异常。

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注：如果迭代期间需要修改集合，只能通过迭代器的方法修改集合，这些方法不会触发异常。因为其会重置expectedModCount的值为当前modCount。

如何防止迭代过程出现异常？

所以，在使用这样的ArrayList时，如果需要对其进行迭代，则需要对容器进行加锁（或者拷贝一份），使当前线程对其独占访问，以保证其迭代过程能够正常运行。如下：

public class SomeClass {
    List<E> list;

    public SomeClass(List<E> list) {
        this.list = list;
    }

    //如果这个方法会被多线程访问，那么最好对list的访问进行加锁
    public void function() {
        synchronized(list) {
            for(E e:list) {
                ....
            }
        }
    }
}

线程安全的另一种实现类——CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList同样是线程安全的ArrayList，但是与SynchronizedList不同的是，它只对写操作加锁，对读操作不加锁。关键是，其在迭代期间不需要对容器进行加锁或复制。这一切都与"写入时复制"有关。

写入时复制的原理

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CopyOnWriteArrayList的字段：

lock => 锁，写操作时需要
array => 容器数组的引用。指向存储当前元素的数组。

与容器数组引用直接相关的两个方法：

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写入时复制相关代码：

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //写操作还是要上锁的，此锁是全局锁
    lock.lock();
    try {
        //获取容器数组
        Object[] elements = getArray();
        //获得容器长度
        int len = elements.length;
        //创建一个新的存储空间，容量+1
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //在新的存储空间内，加入新元素
        newElements[len] = e;
        //修改当前容器数组的引用
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}