CopyOnWriteArrayList实现原理以及源码解析

1、CopyOnWrite容器(并发容器)

  Copy-On-Write简称COW,是一种用于程序设计中的优化策略。
其基本思路是,从一开始大家都在共享同一个内容,当某个人想要修改这个内容的时候,才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改,这是一种延时懒惰策略。
从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。

  CopyOnWrite容器即写时复制的容器。
  通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。
  这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。
  所以CopyOnWrite容器是一种读写分离的思想,读和写不同的容器、最终一致性 以及使用另外开辟空间的思路,来解决并发冲突的思想。

2、CopyOnWriteArrayList数据结构

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

CopyOnWriteArrayList实现了List接口,List接口定义了对列表的基本操作;

  • 同时实现了RandomAccess接口,表示可以随机访问(数组具有随机访问的特性);
  • 同时实现了Cloneable接口,表示可克隆;
  • 同时也实现了Serializable接口,表示可被序列化。
  • CopyOnWriteArrayList底层使用数组来存放元素。

2、CopyOnWriteArrayList Add方法

  CopyOnWriteArrayList容器是Collections.synchronizedList(List list)的替代方案,是一个ArrayList的线程安全的变体。
基本原理:
  初始化的时候只有一个容器,很常一段时间,这个容器数据、数量等没有发生变化的时候,大家(多个线程),都是读取(假设这段时间里只发生读取的操作)同一个容器中的数据,所以这样大家读到的数据都是唯一、一致、安全的,但是后来有人往里面增加了一个数据,这个时候CopyOnWriteArrayList 底层实现添加的原理是先copy出一个容器(可以简称副本),再往新的容器里添加这个新的数据,最后把新的容器的引用地址赋值给了之前那个旧的的容器地址,但是在添加这个数据的期间,其他线程如果要去读取数据,仍然是读取到旧的容器里的数据。

  CopyOnWriteArrayList中add方法的实现(向CopyOnWriteArrayList里添加元素),可以发现在添加的时候是需要加锁的,否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

 public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
			// 复制出新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
			// 把新元素添加到新数组里
		   newElements[len] = e;
		   // 把原数组引用指向新数组
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
	
    /**
     * Sets the array.
     */
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }

  

  读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据,读还是会读到旧的数据,因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。

public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

3、remove方法

public E remove(int index) {
        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)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                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 {
            lock.unlock();
        }
    }

  删除元素,很简单,就是判断要删除的元素是否最后一个,如果最后一个直接在复制副本数组的时候,复制长度为旧数组的length-1即可;
但是如果不是最后一个元素,就先复制旧的数组的index前面元素到新数组中,然后再复制旧数组中index后面的元素到数组中,最后再把新数组复制给旧数组的引用。最后在finally语句块中将锁释放。

4、set方法

public E set(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            E oldValue = get(elements, index);
 
            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
                setArray(elements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

5、CopyOnWriteArrayList初始化(构造方法)

 /**
     * Sets the array.把老数组指向新数组么
     */
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }
 
    /**
     * Creates an empty list.构造函数
     */
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }
 
    public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
        Object[] 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);
    }
    /**
     * Creates a list holding a copy of the given array.
     *
     * @param toCopyIn the array (a copy of this array is used as the
     *        internal array)
     * @throws NullPointerException if the specified array is null
     */
    public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
        setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
    }

  无论我们用哪一个构造方法创建一个CopyOnWriteArrayList对象,都会创建一个Object类型的数组,然后赋值给成员array。

6、copyOf函数

  该函数用于复制指定的数组,截取或用 null 填充(如有必要),以使副本具有指定的长度。

    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
        // 确定copy的类型(将newType转化为Object类型,将Object[].class转化为Object类型,判断两者是否相等,若相等,则生成指定长度的Object数组
        // 否则,生成指定长度的新类型的数组)
        T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
            ? (T[]) new Object[newLength]
            : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
        // 将original数组从下标0开始,复制长度为(original.length和newLength的较小者),复制到copy数组中(也从下标0开始)
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }

7、CopyOnWrite的应用场景

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。


8、CopyOnWrite的缺点

  CopyOnWrite容器有很多优点(解决开发工作中的多线程的并发问题),但是同时也存在两个问题,即内存占用问题和数据一致性问题。
1.内存占用问题。
  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)。
如果这些对象占用的内存比较大,比如说200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会占用300M,那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。

  针对内存占用问题,可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗,比如,如果元素全是10进制的数字,可以考虑把它压缩成36进制或64进制。
或者不使用CopyOnWrite容器,而使用其他的并发容器,如ConcurrentHashMap。

2.数据一致性问题。
  CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。


9、总结:

  • 1.CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的场景
  • 2.在并发操作容器对象时不会抛出ConcurrentModificationException,并且返回的元素与迭代器创建时的元素是一致的
  • 3.容器对象的复制需要一定的开销,如果对象占用内存过大,可能造成频繁的YoungGC和Full GC
  • 4.CopyOnWriteArrayList不能保证数据实时一致性,只能保证最终一致性
  • 5.在需要并发操作List对象的时候优先使用CopyOnWriteArrayList
  • 6.随着CopyOnWriteArrayList中元素的增加,CopyOnWriteArrayList的修改代价将越来越昂贵,因此,CopyOnWriteArrayList适用于读操作远多于修改操作的并发场景中。
程序员的眼里,不止有代码和bug,还有诗与远方和妹子!!!
posted @ 2019-07-07 00:08  何其小静  阅读(1324)  评论(0编辑  收藏  举报