Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析
作者：GeGe&YoYo
1. 简介
在 ArrayList 的类注释上，JDK 就提醒了我们，如果要把 ArrayList 作为共享变量的话，是线程不安全的，推荐我们自己加锁或者使用 Collections.synchronizedList 方法，其实 JDK 还提供了另外一种线程安全的 List，叫做 CopyOnWriteArrayList
2. 原理
很多时候，我们的系统应对的都是读多写少的并发场景。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读，读操作是无锁的，性能较高。至于写操作，比如向容器中添加一个元素，则首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。
- 线程安全的，多线程环境下可以直接使用，无需加锁；
- 通过锁 + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了线程安全；
- 每次数组操作，都会把数组拷贝一份出来，在新数组上进行操作，操作成功之后再赋值回去。
从整体架构上来说，CopyOnWriteArrayList 数据结构和 ArrayList 是一致的，底层是个数组，只不过 CopyOnWriteArrayList 在对数组进行操作的时候，基本会分四步走：
- 加锁；
- 从原数组中拷贝出新数组；
- 在新数组上进行操作，并把新数组赋值给数组容器；
- 解锁
除了加锁之外，CopyOnWriteArrayList 的底层数组还被 volatile 关键字修饰，意思是一旦数组被修改，其它线程立马能够感知到，代码如下：
private transient volatile Object[] array;
整体上来说，CopyOnWriteArrayList 就是利用锁 + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了 List 的线程安全。
3. 优点
读操作（不加锁）性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时，若中途有别的线程对list容器进行修改，则会抛ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的list容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了。
4. 缺点
一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份。数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC；
二是无法保证实时性，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）。
5. 源码分析
5.1 添加操作
public boolean add(E e) {
//ReentrantLock加锁，保证线程安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//拷贝原容器，长度为原容器长度加一
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//在新副本上执行添加操作
newElements[len] = e;
//将原容器引用指向新副本
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//解锁
lock.unlock();
}
}添加的逻辑很简单，先将原容器copy一份，然后在新副本上执行写操作，之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。
5.2 删除操作
public E remove(int index) {
//加锁
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)
//如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
//否则，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用
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 {
//解锁
lock.unlock();
}
}删除操作同理，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，然后切换引用，将原容器引用指向新副本。同属写操作，需要加锁。
我们再来看看读操作，CopyOnWriteArrayList的读操作是不用加锁的，性能很高。
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}直接读取即可，无需加锁
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}5.3 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的增删改查对迭代器是不可见的
// 演示多线程下迭代器的弱一致性结果
public class copylist {
private static volatile CopyOnWriteArrayList<String> arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
arrayList.add("hello");
arrayList.add("alibaba");
arrayList.add("welcome");
arrayList.add("to");
arrayList.add("hangzhou");
Thread threadOne = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 修改list中下标为1的元素为ali
arrayList.set(1, "ali");
// 删除元素
arrayList.remove(2);
arrayList.remove(3);
}
});
// 保证在修改线程启动前获取迭代器
Iterator<String> itr = arrayList.iterator();
// 启动线程
threadOne.start();
// 等待子线程执行完毕
threadOne.join();
while(itr.hasNext()) {
System.out.println(itr.next());
}
}
}执行程序：
hello
alibaba
welcome
to
hangzhou
Process finished with exit code 0
从输出结果我们知道，在子线程里面进行的操作一个都没有生效，这就是迭代器弱一致性的体现。需要注意的是，获取迭代器的操作必须在子线程操作之前进行。
6. ArrayList转为线程安全的方法
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
到此这篇关于Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析的文章就介绍到这了,更多相关CopyOnWriteArrayList解析内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！