JUC之CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet

Posted 2021-03-19 fondwang

一、简介

CopyOnWriteArrayList简介

　　ArrayList是一种 “列表” 数据结构，其底层是通过数组来实现元素的随机访问。JDK1.5之前，如果想要在并发环境下使用 “列表”，一般有以下3种方式：

1. 使用Vector类

2. 使用Collections.synchronizedList返回一个同步代理类；

3. 自己实现ArrayList的子类，并进行同步/加锁

　　前两种方式都相当于加了一把“全局锁”，访问任何方法都需要首先获取锁。第3种方式，需要自己实现，复杂度较高。

　　JDK1.5时，随着JUC引入了一个新的集合工具类——CopyOnWriteArrayList：

　　

 

 

　　大多数业务场景都是一种“读多写少”的情形，CopyOnWriteArrayList就是为适应这种场景而诞生的。

　　CopyOnWriteArrayList，运用了一种“写时复制”的思想。

　　通俗的理解就是当我们需要修改（增/删/改）列表中的元素时，不直接进行修改，而是先将列表Copy，然后在新的副本上进行修改，修改完成之后，在将引用从原列表指向新列表。

　　这样做的好处是读/写是不会冲突的，可以并发进行，读操作还是在原列表，写操作在新列表。仅仅当有多个线程同时进行写操作时，才会进行同步。

 

CopyOnWriteArraySet简介

　　CopyOnWriteArraySet，是另一类适合并发环境的SET工具类。从名字上可以看出，也就是基于“写时复制” 的思想。

　　事实上，CopyOnWriteArraySet内部引用了一个CopyOnWriteArrayList对象，以“组合”方式，委托CopyOnWriteArrayList对象实现了所有API功能。

二、源码分析

CopyOnWriteArraySet基本是依靠CopyOnWriteArrayList的，所以我们只分析CopyOnWriteArrayList即可

 

CopyOnWriteArrayList

 

构造器

public CopyOnWriteArrayList() { setArray(new Object[0]);}

public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class)); //setArray方法进行初始化
}

public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] elements;
    if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
        elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
    else {
        elements = c.toArray();
        if (elements.getClass() != Object[].class)
            elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
    }
    setArray(elements);
}

属性

final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

private transient volatile Object[] array;

private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long lockOffset;

核心方法

与构造器初始化相关的setArray方法

final void setArray(Object[] a) { array = a; } // 设置底层数据结构数组值
final Object[] getArray(){ return array; } //返回数据

 

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查询——get方法

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

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

 

 

 

可以看到，get方法并没有加锁，直接返回了内部数组对应索引位置的值：array[index]

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添加——add方法

// 默认添加到数组尾部
public boolean add(E e) {
       final ReentrantLock lock = this.lock;  //获取锁对象
       lock.lock(); //加锁
       try {
           Object[] elements = getArray(); //返回旧数组
           int len = elements.length;  //数组长度
           Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);  //赋值并创建新数组
           newElements[len] = e;  //将元素添加到新数组末尾
           setArray(newElements);   // 内部array引用指向新数组
           return true;
       } finally {
           lock.unlock();   // 最后释放锁
       }
}
// 指定位置添加
public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;  // 获取锁对象
    lock.lock();   //加锁
    try {
        Object[] elements = getArray();  //返回旧数组
        int len = elements.length;  //旧数组长度
        if (index > len || index < 0)  // 长度合法验证
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        Object[] newElements; 
        int numMoved = len - index;  // 
        if (numMoved == 0)
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        else {
            newElements = new Object[len + 1];  // 指定长度新的空数组
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);  //将旧数组范围0到index-1位置上数据，赋值给新数组
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);    // 将旧数组从位置index到最后，赋值给新数组从index+1的位置开始到最后
        }
        newElements[index] = element;  //将新数组index空位置上赋值添加的元素
        setArray(newElements);   // 内部array引用指向新数组
    } finally {
        lock.unlock();  //释放锁
    }
}

 

 

 

 

 

 

　　add方法首先会进行加锁，保证只有一个线程能进行修改；然后会创建一个新数组（大小为 n+1），并将原数组的值复制到新数组，新元素插入到新数组的最后；最后，将字段array指向新数组。

　　　　　　

 

　　上图中，ThreadB对Array的修改由于是在新数组上进行的，所以并不会对ThreadA的读操作产生影响。

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删除——remove方法

三种删除方法

// 指定索引位置删除
public E remove(int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;  //锁对象
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();  //原数组
            int len = elements.length;   //原数组长度
            E oldValue = get(elements, index);  //指定位置的元素
            int numMoved = len - index - 1;  
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                Object[] newElements = new Object[len - 1];
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                 numMoved);
           setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
// 指定对象删除
public boolean remove(Object o) {
    Object[] snapshot = getArray();
    int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);  // 找出对象的索引，转到对应方法
    return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
}
private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] current = getArray();
        int len = current.length;
        if (snapshot != current) findIndex: {
            int prefix = Math.min(index, len);
            for (int i = 0; i < prefix; i++) {
                if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {
                    index = i;
                    break findIndex;
                }
            }
            if (index >= len)
                return false;
            if (current[index] == o)
                break findIndex;
            index = indexOf(o, current, index, len);
            if (index < 0)
                return false;
        }
        Object[] newElements = new Object[len - 1];
        System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);
        System.arraycopy(current, index + 1,
                         newElements, index,
                         len - index - 1);
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
 

 

 

 

 

 

 

 

CopyOnWrite的应用场景

　　CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。

CopyOnWrite的缺点

 

 

CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

 

　　内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。

 

　　针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

 

　　数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

 

 CopyOnWriteArrayList为什么并发安全且性能比Vector好

　我知道Vector是增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况。

 

参考：https://www.cnblogs.com/myseries/p/10877420.html

　　　　https://segmentfault.com/a/1190000016214572