java并发编程之美-阅读记录5

Posted 2022-06-28 nxzblogs

java并发包中的并发List

5.1CopeOnWriteArrayList

　　并发包中的并发List只有CopyOnWriteArrayList，该类是一个线程安全的arraylist，对其进行的修改操作都是在底层的一个复制数组上进行的，也就是使用了写时复制策略。

　　该类的结构：

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable 
    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;
    // 可重入的独占锁，用来保证对arraylist的修改操作，同一时间只有一个线程
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 存放对象的底层数组 内存可见性
    private transient volatile Object[] array;
    // 基于硬件的原子操作了Unsafe
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    // 锁的偏移量
    private static final long lockOffset;
    static 
        try 
            UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            Class<?> k = CopyOnWriteArrayList.class;
            lockOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("lock"));
         catch (Exception e) 
            throw new Error(e);
        
    

问题：

　　何时初始化list，初始化list的大小是多少，list是有限大小吗？    copyonwriteArraylist是无界数组

　　如何保证线程安全，比如多个线程进行读写时如何保证是线程安全的？

　　如何保证迭代器遍历list时的数据一致性？

5.2源码分析

1、初始化

　　构造函数：

    // 空的list
    public CopyOnWriteArrayList() 
        setArray(new Object[0]);
    
    // 入参为Collection类型的集合，该构造会将集合中的元素复制到list中
    public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) 
        Object[] elements;
        if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
            elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
        else 
            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);
    
　　 // 入参为泛型数组，将数组复制到list的底层数组中
    public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) 
        setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
    

2、添加元素add方法

    // 添加元素，在list的末尾添加
    public boolean add(E e) 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取独占锁
        lock.lock();
        try 
　　         // 获取copyOnWriteArrayList底层数组
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
　　　　　　　 // 复制一份新的数组，比原数组大一，所以CopyOnWriteArraylist是一个无界数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            // 将要添加的元素放到新数组的最后位置
            newElements[len] = e;
            // 使用新数组替换原来的数组
            setArray(newElements);
            return true;
         finally 
            // 操作完毕后，释放独占锁
            lock.unlock();
        
    

3、获取元素，此时就会产生写时复制的弱一致性问题：当线程a获取到地层数组后，但是没有执行get(Object[] a,int index)方法，此时线程b操作该集合，删除了一个元素（删除的是复制出的新数组中的数据，同时会使用新数组覆盖旧数组），name线程a继续获取执行位置的数据，此时底层数组仍然是之前没有删除数据的数组，这样就产生了弱一致性问题。

    // 直接获取底层数组指定索引位置的数据
    private E get(Object[] a, int index) 
        return (E) a[index];
    

    // 获取指定索引出的值    getArray方法返回底层数组
    public E get(int index) 
        return get(getArray(), index);
    

4、修改指定位置的元素

public E set(int index, E element) 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取独占锁
        lock.lock();
        try 
            // 获取底层数组
            Object[] elements = getArray();
            // 根据索引获取要修改的值
            E oldValue = get(elements, index);
            // 如果新值不等于旧值时，就会复制一份数组，将新值设置进入，然后用新数组覆盖就数组
            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
                // 旧数组重新覆盖旧数组--> 这一步虽然没有改变数组，但是为了保证volatitle语义，仍然会重新设置一次
                setArray(elements);
            
            return oldValue;
         finally 
            // 释放锁
            lock.unlock();
        
     

5、删除元素

    public E remove(int index) 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try 
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 获取要删除索引位置的元素
            E oldValue = get(elements, index);
            // 计算要移动的元素的数量
            int numMoved = len - index - 1;
            // 要移动的元素为0，则代表删除的是最后一个元素
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else 
                // 要删除的不是最后一个，则新建一个len-1长度的数组
                Object[] newElements = new Object[len - 1];
                // 同时以要删除的索引index为分界线，复制0-index，index+1 - len的元素
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                 numMoved);
                setArray(newElements);
            
            return oldValue;
         finally 
            lock.unlock();
        
    

6、弱一致性的迭代器

　　所谓弱一致性是指：返回迭代器后，其他线程对list的操作（增删改）对迭代器是不可见的。

    
    public Iterator<E> iterator() 
        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
    

    // 可以看到迭代器中的方法，不能增删改，相应的方法会抛出异常
    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;

        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) 
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        

        public boolean hasNext() 
            return cursor < snapshot.length;
        

        public boolean hasPrevious() 
            return cursor > 0;
        

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() 
            if (! hasNext())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[cursor++];
        

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E previous() 
            if (! hasPrevious())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[--cursor];
        

        public int nextIndex() 
            return cursor;
        

        public int previousIndex() 
            return cursor-1;
        

        public void remove() 
            throw new UnsupportedOperationException();
        

        public void set(E e) 
            throw new UnsupportedOperationException();
        

        public void add(E e) 
            throw new UnsupportedOperationException();
        

        @Override
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) 
            Objects.requireNonNull(action);
            Object[] elements = snapshot;
            final int size = elements.length;
            for (int i = cursor; i < size; i++) 
                @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) elements[i];
                action.accept(e);
            
            cursor = size;
        
    

弱一致性：

package com.nxz.blog.otherTest;

import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class TestThread003 

    private static CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();

    /**
     * 测试CopyOnWriteArrayList的弱一致性问题
     * 如果输出结果是：test1 test2 test3 test4  则说明该类具有弱一致性
　　　　
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 

        copyOnWriteArrayList.add("test1");
        copyOnWriteArrayList.add("test2");
        copyOnWriteArrayList.add("test3");
        copyOnWriteArrayList.add("test4");

        Thread t = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                copyOnWriteArrayList.add("runnabl1");
                copyOnWriteArrayList.add("runnabl2");
                copyOnWriteArrayList.add("runnabl3");
            
        );

        Iterator<String> iterator = copyOnWriteArrayList.iterator();

        // 等待线程执行完毕
        t.join();

        while (iterator.hasNext()) 
            System.out.println(iterator.next());
        
    

结果：
test1
test2
test3
test4