详解CopyOnWrite容器及其源码
Posted mcbye
tags:
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CopyOnWrite容器及其源码相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
详解CopyOnWrite容器及其源码
在jave.util.concurrent
包下有这样两个类:CopyOnWriteArrayList
和CopyOnWriteArraySet
。
其中利用到了CopyOnWrite机制,本篇就来聊聊CopyOnWrite技术与Java中的CopyOnWrite容器。
主要包扩以下内容:
- 什么是CopyOnWrite
- CopyOnWriteArrayList
- CopyOnWriteArraySet
- CopyOnWrite适用场景
什么是CopyOnWrite
对于一般的容器,比如ArrayList,在进行并发操作时,如果一个线程读,一个线程写,会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWrite容器则避免了这种情况。
CopyOnWrite,顾名思义,写时复制,在修改集合中数据的时候,不直接修改当前容器,而是先将当前容器进行拷贝,复制出一个新的容器,然后在新的容器里完成修改,再将原容器的引用指向新的容器。
这样做的好处是,可以不通过加锁,实现对CopyOnWrite容器的并发读写。需要注意的是,CopyOnWrite技术并不保证实时一致性,因为在读写并行时,有可能会读到过期的数据。CopyOnWrite技术保证的是最终一致性。
CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList的底层是通过数组来实现的,其包含两个属性:
1
|
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
|
前者用于在对CopyOnWriteArrayList进行修改时加锁,后者用于保存容器中的元素(允许null元素),对array加了volatile关键字,保证每次修改容器的时候对其他线程都是可见的。
在其各种接口的实现中,用的最多的是如下两个方法:
1
|
final Object[] getArray() {
|
getArray()
方法返回当前数组,而setArray()
方法用于在CopyOnWriteArrayList变化时,将array执行修改后的数组内存地址。
CopyOnWriteArrayList提供了三种构造函数:
1
|
CopyOnWriteArrayList(); // 创建一个array长度为0的CopyOnWriteArrayList
|
根据实际的需要创建即可。
CopyOnWriteArrayList提供的读方法与数组的读方法并无什么大的不同,因为CopyOnWriteArrayList本身解决的问题就不是读读并发的问题,所以重一下其写方法。
首先看一下set()
方法,set()
方法为指定位置设置特定值,如下是其实现:
1
|
public E set(int index, E element) {
|
分别看一下以上代码中的关键几步:
- 可以看到CopyOnWriteArrayList为了保证在复制原容器时是加了一个可重入锁的,在set完成后释放该锁;
- 获取当前的数组;
- 判断要设置的位置的旧值与新值是否相同,如果相同则免去容器的拷贝工作;
- 将原容器复制一份;
- 修改该处的值为新值;
- 重新创建CopyOnWriteArrayList容器,将旧容器的内存地址改为新容器所在内存地址;
- 完成set,释放锁。
再看一下add()
方法,向容器中添加一个元素,如下是其源码:1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 1
try {
Object[] elements = getArray(); // 2
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 3
newElements[len] = e; // 4
setArray(newElements); // 5
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
add操作与set操作的大体过程都是相同的,多了两步的是,给新元素新增空间,即3~4步。
上面的add()
方法是在容器最后添加一个元素,如果是在指定位置添加一个元素呢,源码如下:
1
|
public void add(int index, E element) {
|
add(int index, E element)相比于add(E e)又多了数组元素移位的过程,即3~10步。移位的时候用到了System.arraycopy()方法,以第9步为例,其意为将elements数组从0开始的index个元素拷贝到newElements数组的从0开始的位置上。System.arraycopy()是一个native方法,用于保证每次add操作对数组移位时的性能不至于太差。
那么从容器中移除一个元素呢,请看其remove()
方法源码:
1
|
public E remove(int index) {
|
remove(index)方法的实现与add(index, element) 方法的实现是类似的,区别在于前者是数组缩小。
除此之外,还提供了remove(Object o)方法用于移除特定值,remove(Object o, Object[] snapshot, int index)方法用于移除特定版本数组下的特定值,且前者的实现是以后者为基础的,故而前者在自己的实现中没有加锁。这里仅拿出第三个remove方法的源码来作分析:
1
|
private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
|
这个remove方法给定要删除的值和一个数组,以及结束的位置。这个snapshot数组可以认为是某一个版本的array数组,当二者相同时,remove方法和remove(o)就几乎一样了;当二者不同时,即3、4步,则是记录当前数组中与要删除的值相同的那个元素的位置,此时说明snapshot数组已经修改过了,所以相同位置的那个元素已经不同了。
以上是CopyOnWriteArrayList的源码中重要属性和函数的实现剖析。
CopyOnWriteArraySet
了解了CopyOnWriteArrayList的实现之后,CopyOnWriteArraySet的实现就比较简单了,看一眼CopyOnWriteArraySet保存元素的结构就知道为何了:
1
|
private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
|
可以看到CopyOnWriteArraySet的实现是基于CopyOnWriteArrayList来做的,CopyOnWriteArraySet提供的各种方法也都是通过CopyOnWriteArrayList来实现,原理基本相同,就不单独详细说明了。
CopyOnWrite适用场景
考虑到每次CopyOnWrite容器进行修改的时候都需要加锁和对容器进行拷贝,写的性能开销较大,所以更适合使用在读操作远远大于写操作的场景里,比如缓存、搜索引擎对某些关键词过滤使用的黑名单等。发生修改时候做copy,新老版本分离,保证读的高性能,适用于以读为主的情况。
因为CopyOnWrite容器只能保证最终一致性,所以不适用于对数据实时性要求较高的场景中,因为一个线程修改了数据,其他线程并不一定能够马上读取到新的数据。
关注我的公众号,获取更多关于面试、技术的文章及福利资源。
以上是关于详解CopyOnWrite容器及其源码的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
JUC系列并发容器之CopyOnWrite(CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArraySet)