CopyOnWriteArrayList实现原理以及源码解析

Posted 2022-03-21 heqiyoujing

1、CopyOnWrite容器（并发容器）

　　Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。
其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。
从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。

　　CopyOnWrite容器即写时复制的容器。
　　通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，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。
　　这样做的好处是我们可以对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容器是一种读写分离的思想，读和写不同的容器、最终一致性 以及使用另外开辟空间的思路，来解决并发冲突的思想。

2、CopyOnWriteArrayList数据结构

public class CopyOnWriteArrayList<E>
            implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 

CopyOnWriteArrayList实现了List接口，List接口定义了对列表的基本操作；

• 同时实现了RandomAccess接口，表示可以随机访问（数组具有随机访问的特性）；
• 同时实现了Cloneable接口，表示可克隆；
• 同时也实现了Serializable接口，表示可被序列化。
• CopyOnWriteArrayList底层使用数组来存放元素。

2、CopyOnWriteArrayList Add方法

　　CopyOnWriteArrayList容器是Collections.synchronizedList(List list)的替代方案，是一个ArrayList的线程安全的变体。
基本原理：
　　初始化的时候只有一个容器，很常一段时间，这个容器数据、数量等没有发生变化的时候，大家(多个线程)，都是读取(假设这段时间里只发生读取的操作)同一个容器中的数据，所以这样大家读到的数据都是唯一、一致、安全的，但是后来有人往里面增加了一个数据，这个时候CopyOnWriteArrayList 底层实现添加的原理是先copy出一个容器(可以简称副本)，再往新的容器里添加这个新的数据，最后把新的容器的引用地址赋值给了之前那个旧的的容器地址，但是在添加这个数据的期间，其他线程如果要去读取数据，仍然是读取到旧的容器里的数据。

　　CopyOnWriteArrayList中add方法的实现（向CopyOnWriteArrayList里添加元素），可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

 public boolean add(E e) 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try 
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
			// 复制出新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
			// 把新元素添加到新数组里
		   newElements[len] = e;
		   // 把原数组引用指向新数组
            setArray(newElements);
            return true;
         finally 
            lock.unlock();
        
    
	
    /**
     * Sets the array.
     */
    final void setArray(Object[] a) 
        array = a;
    

　　

　　读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。

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

3、remove方法

public E remove(int index) 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try 
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(elements, index);
            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();
        
    

　　删除元素，很简单，就是判断要删除的元素是否最后一个，如果最后一个直接在复制副本数组的时候，复制长度为旧数组的length-1即可；
但是如果不是最后一个元素，就先复制旧的数组的index前面元素到新数组中，然后再复制旧数组中index后面的元素到数组中，最后再把新数组复制给旧数组的引用。最后在finally语句块中将锁释放。

4、set方法

public E set(int index, E element) 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try 
            Object[] elements = getArray();
            E oldValue = get(elements, index);
 
            if (oldValue != element) 
                int len = elements.length;
                Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
                newElements[index] = element;
                setArray(newElements);
             else 
                // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
                setArray(elements);
            
            return oldValue;
         finally 
            lock.unlock();
        
    

5、CopyOnWriteArrayList初始化（构造方法）

 /**
     * Sets the array.把老数组指向新数组么
     */
    final void setArray(Object[] a) 
        array = a;
    
 
    /**
     * Creates an empty list.构造函数
     */
    public CopyOnWriteArrayList() 
        setArray(new Object[0]);
    
 
    public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) 
        Object[] elements = c.toArray();
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elements.getClass() != Object[].class)
            elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
        setArray(elements);
    
    /**
     * Creates a list holding a copy of the given array.
     *
     * @param toCopyIn the array (a copy of this array is used as the
     *        internal array)
     * @throws NullPointerException if the specified array is null
     */
    public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) 
        setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
    

　　无论我们用哪一个构造方法创建一个CopyOnWriteArrayList对象，都会创建一个Object类型的数组，然后赋值给成员array。

6、copyOf函数

　　该函数用于复制指定的数组，截取或用 null 填充（如有必要），以使副本具有指定的长度。

    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) 
        @SuppressWarnings("unchecked")
        // 确定copy的类型（将newType转化为Object类型，将Object[].class转化为Object类型，判断两者是否相等，若相等，则生成指定长度的Object数组
        // 否则,生成指定长度的新类型的数组）
        T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
            ? (T[]) new Object[newLength]
            : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
        // 将original数组从下标0开始，复制长度为(original.length和newLength的较小者),复制到copy数组中（也从下标0开始）
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    

7、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。

8、CopyOnWrite的缺点

　　CopyOnWrite容器有很多优点（解决开发工作中的多线程的并发问题），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。
1.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。

　　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。

2.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。

9、总结：

• 1.CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的场景
• 2.在并发操作容器对象时不会抛出ConcurrentModificationException，并且返回的元素与迭代器创建时的元素是一致的
• 3.容器对象的复制需要一定的开销，如果对象占用内存过大，可能造成频繁的YoungGC和Full GC
• 4.CopyOnWriteArrayList不能保证数据实时一致性，只能保证最终一致性
• 5.在需要并发操作List对象的时候优先使用CopyOnWriteArrayList
• 6.随着CopyOnWriteArrayList中元素的增加，CopyOnWriteArrayList的修改代价将越来越昂贵，因此，CopyOnWriteArrayList适用于读操作远多于修改操作的并发场景中。