JAVA中写时复制(Copy-On-Write)Map实现

1,什么是写时复制(Copy-On-Write)容器?

写时复制是指:在并发访问的情景下,当需要修改JAVA中Containers的元素时,不直接修改该容器,而是先复制一份副本,在副本上进行修改。修改完成之后,将指向原来容器的引用指向新的容器(副本容器)。

 

2,写时复制带来的影响

①由于不会修改原始容器,只修改副本容器。因此,可以对原始容器进行并发地读。其次,实现了读操作与写操作的分离,读操作发生在原始容器上,写操作发生在副本容器上。

②数据一致性问题:读操作的线程可能不会立即读取到新修改的数据,因为修改操作发生在副本上。但最终修改操作会完成并更新容器,因此这是最终一致性。

 

3,在JDK中提供了CopyOnWriteArrayList类和CopyOnWriteArraySet类,但是并没有提供CopyOnWriteMap的实现。因此,可以参考CopyOnWriteArrayList自己实现一个CopyOnWriteHashMap

这里主要是实现 在写操作时,如何保证线程安全。

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;


public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable{

    private volatile Map<K, V> internalMap;
    
    public CopyOnWriteMap() {
        internalMap = new HashMap<K, V>(100);//初始大小应根据实际应用来指定
    }
    
    @Override
    public V put(K key, V value) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);//复制出一个新HashMap
            V val = newMap.put(key, value);//在新HashMap中执行写操作
            internalMap = newMap;//将原来的Map引用指向新Map
            return val;
        }
    }
    
    @Override
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            newMap.putAll(m);
            internalMap = newMap;
        }
        
    }
    
    @Override
    public V get(Object key) {
        V result = internalMap.get(key);
        return result;
    }
    ......//other methods inherit from interface Map
}

从上可以看出,对于put() 和 putAll() 而言,需要加锁。而读操作则不需要,如get(Object key)。这样,当一个线程需要put一个新元素时,它先锁住当前CopyOnWriteMap对象,并复制一个新HashMap,而其他的读线程因为不需要加锁,则可继续访问原来的HashMap。

 

4,应用场景

CopyOnWrite容器适用于读多写少的场景。因为写操作时,需要复制一个容器,造成内存开销很大,也需要根据实际应用把握初始容器的大小。

不适合于数据的强一致性场合。若要求数据修改之后立即能被读到,则不能用写时复制技术。因为它是最终一致性。

总结:写时复制技术是一种很好的提高并发性的手段。

 

5,为什么会出现COW?

集合类(ArrayList、HashMap)上的常用操作是:向集合中添加元素、删除元素、遍历集合中的元素然后进行某种操作。当多个线程并发地对一个集合对象执行这些操作时就会引发ConcurrentModificationException,比如线程A在for-each中遍历ArrayList,而线程B同时又在删除ArrayList中的元素,就可能会抛出ConcurrentModificationException,可以在线程A遍历ArrayList时加锁,但由于遍历操作是一种常见的操作,加锁之后会影响程序的性能,因此for-each遍历选择了不对ArrayList加锁而是当有多个线程修改ArrayList时抛出ConcurrentModificationException,因此,这是一种设计上的权衡。

为了应对多线程并发修改这种情况,一种策略就是本文的主题“写时复制”机制;另一种策略是:线程安全的容器类:

ArrayList--->CopyOnWriteArrayList

HashMap--->ConcurrentHashMap

而ConcurrentHashMap并不是从“复制”这个角度来应对多线程并发修改,而是引入了分段锁(JDK7);CAS、锁(JDK11)解决多线程并发修改的问题。

 

参考资料:

聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器

Java 集合系列10之 HashMap详细介绍(源码解析)和使用示例

posted @ 2015-09-26 09:55 hapjin 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏