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Java集合之CopyOnWriteArrayList详解

2023-12-19 08:49:38 作者：初念初恋

这篇文章主要介绍了Java集合之CopyOnWriteArrayList详解,CopyOnWriteArrayList是ArrayList的线程安全版本,内部也是通过数组实现,每次对数组的修改都完全拷贝一份新的数组来修改,修改完了再替换掉老数组,这样保证了只阻塞写操作,需要的朋友可以参考下

简介

CopyOnWriteArrayList是ArrayList的线程安全版本，内部也是通过数组实现，每次对数组的修改都完全拷贝一份新的数组来修改，修改完了再替换掉老数组，这样保证了只阻塞写操作，不阻塞读操作，实现读写分离。

继承体系

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

CopyOnWriteArrayList实现了List，RandomAccess，Cloneable，java.io.Serializable等接口。
CopyOnWriteArrayList实现了List，提供了基础的添加、删除、遍历等操作。
CopyOnWriteArrayList实现了RandomAccess，提供了随机访问的能力。
CopyOnWriteArrayList实现了Cloneable，可以被克隆。
CopyOnWriteArrayList实现了Serializable，可以被序列化。

源码解析

属性

/** 用于修改时加锁 */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

/** 真正存储元素的地方，只能通过getArray()/setArray()访问 */
private transient volatile Object[] array;

lock：修改时加锁，使用transient修饰表示不自动序列化。
array：存储元素的地方，使用transient修饰表示不自动序列化，使用volatile修饰表示一个线程对这个字段的修改另外一个线程立即可见。

构造方法

创建空数组。

public CopyOnWriteArrayList() {
    // 所有对array的操作都是通过setArray()和getArray()进行
    setArray(new Object[0]);
}
final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] elements;
    if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
        // 如果c也是CopyOnWriteArrayList类型
        // 那么直接把它的数组拿过来使用
        elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
    else {
        // 否则调用其toArray()方法将集合元素转化为数组
        elements = c.toArray();
        // 这里c.toArray()返回的不一定是Object[]类型
        // 详细原因见ArrayList里面的分析
        if (elements.getClass() != Object[].class)
            elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
    }
    setArray(elements);
}

如果 c 是CopyOnWriteArrayList类型，直接把它的数组赋值给当前list的数组，注意这里是浅拷贝，两个集合共用同一个数组。
如果 c 不是CopyOnWriteArrayList类型，则进行拷贝把c的元素全部拷贝到当前list的数组中。

public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}

把toCopyIn的元素拷贝给当前list的数组。

add(E e)方法

添加一个元素到末尾。

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取旧数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 将旧数组元素拷贝到新数组中
        // 新数组大小是旧数组大小加1
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 将元素放在最后一位
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

加锁；
获取元素数组；
新建一个数组，大小为原数组长度加1，并把原数组元素拷贝到新数组；
把新添加的元素放到新数组的末尾；
把新数组赋值给当前对象的array属性，覆盖原数组；
解锁。

add(int index, E element)方法

添加一个元素在指定索引处。

public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取旧数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 检查是否越界, 可以等于len
        if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        Object[] newElements;
        int numMoved = len - index;
        if (numMoved == 0)
            // 如果插入的位置是最后一位
            // 那么拷贝一个n+1的数组, 其前n个元素与旧数组一致
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        else {
            // 如果插入的位置不是最后一位
            // 那么新建一个n+1的数组
            newElements = new Object[len + 1];
            // 拷贝旧数组前index的元素到新数组中
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            // 将index及其之后的元素往后挪一位拷贝到新数组中
            // 这样正好index位置是空出来的
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        }
        // 将元素放置在index处
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

加锁；
检查索引是否合法，如果不合法抛出IndexOutOfBoundsException异常，注意这里 index 等于 len 也是合法的；
如果索引等于数组长度（也就是数组最后一位再加1），那就拷贝一个len+1的数组；
如果索引不等于数组长度，那就新建一个len+1的数组，并按索引位置分成两部分，索引之前（不包含）的部分拷贝到新数组索引之前（不包含）的部分，索引之后（包含）的位置拷贝到新数组索引之后（不包含）的位置，索引所在位置留空；
把索引位置赋值为待添加的元素；
把新数组赋值给当前对象的array属性，覆盖原数组；
解锁；

addIfAbsent(E e)方法

添加一个元素如果这个元素不存在于集合中。

public boolean addIfAbsent(E e) {
    // 获取元素数组, 取名为快照
    Object[] snapshot = getArray();
    // 检查如果元素不存在,直接返回false
    // 如果存在再调用addIfAbsent()方法添加元素
    return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
        addIfAbsent(e, snapshot);
}
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 重新获取旧数组
        Object[] current = getArray();
        int len = current.length;
        // 如果快照与刚获取的数组不一致
        // 说明有修改
        if (snapshot != current) {
            // 重新检查元素是否在刚获取的数组里
            int common = Math.min(snapshot.length, len);
            for (int i = 0; i < common; i++)
                // 到这个方法里面了, 说明元素不在快照里面
                if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
                    return false;
            if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
                    return false;
        }
        // 拷贝一份n+1的数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
        // 将元素放在最后一位
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

检查这个元素是否存在于数组快照中；
如果存在直接返回 false，如果不存在调用addIfAbsent(E e, Object[] snapshot)处理;
加锁；
如果当前数组不等于传入的快照，说明有修改，检查待添加的元素是否存在于当前数组中，如果存在直接返回false;
拷贝一个新数组，长度等于原数组长度加1，并把原数组元素拷贝到新数组中；
把新元素添加到数组最后一位；
把新数组赋值给当前对象的array属性，覆盖原数组；
解锁；

get(int index)

获取指定索引的元素，支持随机访问，时间复杂度为O(1)。

public E get(int index) {
    // 获取元素不需要加锁
    // 直接返回index位置的元素
    // 这里是没有做越界检查的, 因为数组本身会做越界检查
    return get(getArray(), index);
}
final Object[] getArray() {
    return array;
}
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

获取元素数组；
返回数组指定索引位置的元素；

remove(int index)方法

删除指定索引位置的元素。

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取旧数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0)
            // 如果移除的是最后一位
            // 那么直接拷贝一份n-1的新数组, 最后一位就自动删除了
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            // 如果移除的不是最后一位
            // 那么新建一个n-1的新数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            // 将前index的元素拷贝到新数组中
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            // 将index后面(不包含)的元素往前挪一位
            // 这样正好把index位置覆盖掉了, 相当于删除了
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

加锁；
获取指定索引位置元素的旧值；
如果移除的是最后一位元素，则把原数组的前len-1个元素拷贝到新数组中，并把新数组赋值给当前对象的数组属性；
如果移除的不是最后一位元素，则新建一个len-1长度的数组，并把原数组除了指定索引位置的元素全部拷贝到新数组中，并把新数组赋值给当前对象的数组属性；
解锁并返回旧值；

size()方法

返回数组的长度。

public int size() {
    // 获取元素个数不需要加锁
    // 直接返回数组的长度
    return getArray().length;
}

为什么CopyOnWriteArrayList没有size属性？

因为每次修改都是拷贝一份正好可以存储目标个数元素的数组，所以不需要size属性了，数组的长度就是集合的大小，而不像ArrayList数组的长度实际是要大于集合的大小的。比如，add(E e)操作，先拷贝一份n+1个元素的数组，再把新元素放到新数组的最后一位，这时新数组的长度为len+1了，也就是集合的size了。

总结

CopyOnWriteArrayList使用ReentrantLock重入锁加锁，保证线程安全；
CopyOnWriteArrayList的写操作都要先拷贝一份新数组，在新数组中做修改，修改完了再用新数组替换老数组，所以空间复杂度是O(n)，性能比较低下；
CopyOnWriteArrayList的读操作支持随机访问，时间复杂度为O(1)；
CopyOnWriteArrayList采用读写分离的思想，读操作不加锁，写操作加锁，且写操作占用较大内存空间，所以适用于读多写少的场合；
CopyOnWriteArrayList只保证最终一致性，不保证实时一致性。

到此这篇关于Java集合之CopyOnWriteArrayList详解的文章就介绍到这了,更多相关CopyOnWriteArrayList详解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！