并发容器-CopyOnWriteArrayList

　　Copy-On-Write，写入时复制，这个技术，准确的说应该是一种思想，在很多系统设计上都会用到 。

　　CopyOnWriteArrayList，是一个写入时复制的容器，它是如何工作的呢？简单来说，就是平时查询的时候，都不需要加锁，随便访问，只有在写入/删除的时候，才会从原来的数据复制一个副本出来，然后修改这个副本，最后把原数据替换成当前的副本。修改操作的同时，读操作不会被阻塞，而是继续读取旧的数据。这点要跟读写锁区分一下。

CopyOnWriteArrayList

• 实现了List接口
• 内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
• 底层是用volatile transient声明的数组 array
• 读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array

　　优点

　　对于一些读多写少的数据，这种做法的确很不错，例如配置、黑名单、物流地址等变化非常少的数据，这是一种无锁的实现。可以帮我们实现程序更高的并发。

　　缺点

　　这种实现只是保证数据的最终一致性，在添加到拷贝数据而还没进行替换的时候，读到的仍然是旧数据。如果对象比较大，频繁地进行替换会消耗内存，从而引发Java的GC问题，这个时候，我们应该考虑其他的容器，例如ConcurrentHashMap。

　　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

　　使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：

　　1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。

　　2. 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

源代码

1）增

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //复制一个新的数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //插入新值
        newElements[len] = e;
        //将新的数组指向原来的引用
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

   
public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (index > len || index < 0)
            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];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        }
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

2）删

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0)
            //如果删除的元素是最后一个，直接复制该元素前的所有元素到新的数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            //创建新的数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            //将index+1至最后一个元素向前移动一格
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

3）改

public E set(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        E oldValue = get(elements, index);

        if (oldValue != element) {
            int len = elements.length;
            //创建新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
            //替换元素
            newElements[index] = element;
            //将新数组指向原来的引用
            setArray(newElements);
        } else {
            // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
            setArray(elements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

4）查

//直接获取index对应的元素
public E get(int index) {return get(getArray(), index);}
private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}

 

　　总结：增删改都需要获得锁，并且锁只有一把，而读操作不需要获得锁，支持并发。为什么增删改中都需要创建一个新的数组，操作完成之后再赋给原来的引用？这是为了保证get的时候都能获取到元素，如果在增删改过程直接修改原来的数组，可能会造成执行读操作获取不到数据。

 

COWIterator内部类

　　COWIterator表示迭代器，其也有一个Object类型的数组作为CopyOnWriteArrayList数组的快照，这种快照风格的迭代器方法在创建迭代器时使用了对当时数组状态的引用。此数组在迭代器的生存期内不会更改，因此不可能发生冲突，并且迭代器保证不会抛出 ConcurrentModificationException。创建迭代器以后，迭代器就不会反映列表的添加、移除或者更改。在迭代器上进行的元素更改操作(remove、set 和 add)不受支持。这些方法将抛出 UnsupportedOperationException。

　　

著作权归https://www.pdai.tech所有。
链接：https://www.pdai.tech/md/java/thread/java-thread-x-juc-collection-CopyOnWriteArrayList.html

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    /** Snapshot of the array */
    // 快照
    private final Object[] snapshot;
    /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
    // 游标
    private int cursor;
    // 构造函数
    private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
        cursor = initialCursor;
        snapshot = elements;
    }
    // 是否还有下一项
    public boolean hasNext() {
        return cursor < snapshot.length;
    }
    // 是否有上一项
    public boolean hasPrevious() {
        return cursor > 0;
    }
    // next项
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        if (! hasNext()) // 不存在下一项，抛出异常
            throw new NoSuchElementException();
        // 返回下一项
        return (E) snapshot[cursor++];
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E previous() {
        if (! hasPrevious())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[--cursor];
    }
    
    // 下一项索引
    public int nextIndex() {
        return cursor;
    }
    
    // 上一项索引
    public int previousIndex() {
        return cursor-1;
    }

    /**
        * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
        * @throws UnsupportedOperationException always; {@code remove}
        *         is not supported by this iterator.
        */
    // 不支持remove操作
    public void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
        * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
        * @throws UnsupportedOperationException always; {@code set}
        *         is not supported by this iterator.
        */
    // 不支持set操作
    public void set(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
        * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
        * @throws UnsupportedOperationException always; {@code add}
        *         is not supported by this iterator.
        */
    // 不支持add操作
    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;
    }
}

 

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。