Java篇 - 并发容器之CopyOnWriteArrayList的偷天换日

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我是靠谱客的博主专注狗，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Java篇 - 并发容器之CopyOnWriteArrayList的偷天换日，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

嗨，又和大家见面了，今天来讲讲java中的并发容器的最后一个：CopyOnWriteArrayList。

1. CopyOnWriteArrayList介绍

CopyOnWriteArrayList是List的一种线程安全的实现，它使用的思路是"CopyOnWrite"，目前的实现类有CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。所有的写操作，包括：add，remove，set等都会触发底层数组的拷贝，从而在写的过程中不会影响读，避免了使用synchronized等进行读写操作的线程同步。
CopyOnWrite对于写操作的代价很大，所以它不适合于写操作很多的场景。当读操作远远大于写操作时，可以选择CopyOnWriteArrayList。
迭代器以"快照"方式实现，在迭代器创建时，引用指向List当前状态的底层数组，所以在迭代器使用的整个生命周期中，其内部数据不会被改变；并且集合在遍历过程中进行修改，也不会抛出ConcurrentModificationException。迭代器在遍历过程中，不会感知集合的add，remove，set等操作。
因为迭代器指向的是底层数组的"快照"，因此也不支持对迭代器本身的修改操作，包括add，remove，set等操作，如果使用这些操作，将会抛出UnsupportedOperationException。

上面大概了解了一下CopyOnWriteArrayList，可能这样看不够深刻，那么我们来对照代码验证上面的结论。

2. CopyOnWriteArrayList源码分析

2.1 类定义

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

CopyOnWriteArrayList实现了List，所以，它是一个集合，支持相关的添加、删除、修改、遍历等功能；

CopyOnWriteArrayList实现了RandmoAccess接口，即提供了随机访问功能。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。在CopyOnWriteArrayList中，我们即可以通过元素的序号快速获取元素对象，这就是快速随机访问；

CopyOnWriteArrayList实现了Cloneable接口，即实现clone()函数，它能被克隆；

CopyOnWriteArrayList实现了Serializable接口，它支持序列化。

2.2 变量定义


final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private transient volatile Object[] array;
final Object[] getArray() {
return array;
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}

定义了一个重入锁，这个锁是用在写操作上的，保证同步，同一时刻只有一个线程在写，而读是没有加锁的，读的时候读的还是旧的那个数组，而写的时候会拷贝一个数组副本，写完之后重新赋值给旧的数组。所以CopyOnWriteArrayList是写写互斥，读写不互斥，读读不互斥。

同时定义了一个对象数组，用来存放元素。对象数组的读写通过getArray()和setArray()，一个用来获取当前数组对象，一个用来将新的拷贝好的数组赋值给当前数组对象。

2.3 构造器


/**
* 无参构造器，默认创建一个大小为0的数组
*/
public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}
/**
* 将一个集合转换成CopyOnWriteArrayList
*/
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] elements;
// 如果c本来就为CopyOnWriteArrayList类型，直接转换
if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
else {
elements = c.toArray();
// 双重校验，具体可以看Vector源码分析那章
if (elements.getClass() != Object[].class)
elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
}
// 设置数组
setArray(elements);
}
/**
* 将一个数组转换成CopyOnWriteArrayList
*/
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}

需要说明的是集合转换成CopyOnWriteArrayList的那个构造器，做了两次类型校验，具体原因可以参考我前面写的Vector那章：https://blog.csdn.net/u014294681/article/details/85323638

2.4 读方法


public int size() {
return getArray().length;
}
public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
}
private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
int index, int fence) {
if (o == null) {
for (int i = index; i < fence; i++)
if (elements[i] == null)
return i;
} else {
for (int i = index; i < fence; i++)
if (o.equals(elements[i]))
return i;
}
return -1;
}
private static int lastIndexOf(Object o, Object[] elements, int index) {
if (o == null) {
for (int i = index; i >= 0; i--)
if (elements[i] == null)
return i;
} else {
for (int i = index; i >= 0; i--)
if (o.equals(elements[i]))
return i;
}
return -1;
}
public boolean contains(Object o) {
Object[] elements = getArray();
return indexOf(o, elements, 0, elements.length) >= 0;
}
public int indexOf(Object o) {
Object[] elements = getArray();
return indexOf(o, elements, 0, elements.length);
}
public int indexOf(E e, int index) {
Object[] elements = getArray();
return indexOf(e, elements, index, elements.length);
}
public int lastIndexOf(Object o) {
Object[] elements = getArray();
return lastIndexOf(o, elements, elements.length - 1);
}
public int lastIndexOf(E e, int index) {
Object[] elements = getArray();
return lastIndexOf(e, elements, index);
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}

可以看到，所有的读方法是没有加锁的，而且底层采用数组实现，所以读的效率是很高的。

2.5 写方法


/**
* 更新指定位置的元素
*/
public E set(int index, E element) {
// 加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 先获取旧数组
Object[] elements = getArray();
// 获取旧的元素
E oldValue = get(elements, index);
// 如果旧的元素和新设置的元素不相等
if (oldValue != element) {
int len = elements.length;
// 先拷贝一个和旧数组同样大小的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
// 设置新值
newElements[index] = element;
// 更新数组引用
setArray(newElements);
} else {
setArray(elements);
}
// 返回旧值
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 添加一个元素
*/
public boolean add(E e) {
// 先加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 新数组的大小为旧数组大小 + 1
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
// 更新数组引用
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 添加一个元素到指定位置
*/
public void add(int index, E element) {
// 先加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 如果找不到这个索引位置则抛出异常
if (index > len || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
", Size: "+len);
Object[] newElements;
int numMoved = len - index;
// 如果不需要移动数组，则将该元素插入到数组尾部，数组得先扩容1
if (numMoved == 0)
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
// 否则新创建一个数组，并复制旧数据
newElements = new Object[len + 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
numMoved);
}
newElements[index] = element;
// 更新数组引用
setArray(newElements);
} finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 移除指定位置的元素
*/
public E remove(int index) {
// 先加锁
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;
// 如果不需要移动数组，则直接截掉最后一个元素生成一个新的数组
if (numMoved == 0)
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
// 否则创建新数组，拷贝旧元素
Object[] newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
// 更新数组引用
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}

可以看到，它所有的写操作都是生成新的数组，新增元素扩容是旧数组长度+1，在写的时候不会去影响旧的数组。而且所有的写操作都加锁了，保证同一个时刻只有一个线程修改元素。如果写的时候，有线程来读，读的是写之前的旧数组，所CopyOnWrite只能保证数据最终的一致性，不能保证数据的实时一致性。

并且由于是数组实现，本身插入删除的效率就很低，因为涉及到数组元素的移动。而且加上拷贝这一特性，使得CopyOnWriteArrayList写操作的时间复杂度和空间复杂度都很高。

2.6 排序


public void sort(Comparator<? super E> c) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, elements.length);
@SuppressWarnings("unchecked") E[] es = (E[])newElements;
Arrays.sort(es, c);
setArray(newElements);
} finally {
lock.unlock();
}
}

CopyOnWriteArrayList支持Comparator排序的，先加锁，然后拷贝一个新的数组，再调用Arrays.sort方法排序，最后更新数组的引用。

2.7 迭代遍历


public void forEach(Consumer<? super E> action) {
if (action == null) throw new NullPointerException();
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
for (int i = 0; i < len; ++i) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) elements[i];
action.accept(e);
}
}

可以看到，如果是使用增强for循环遍历CopyOnWriteArrayList元素的话，它是直接拿到当前数组去操作遍历的，而这期间的写操作又不会影响这个数组。所以在迭代器使用的整个生命周期中，其内部数据不会被改变；并且集合在遍历过程中进行修改，也不会抛出ConcurrentModificationException。

再看看它的迭代器：


public Iterator<E> iterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
public ListIterator<E> listIterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
private final Object[] snapshot;
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = elements;
}
public boolean hasNext() {
return cursor < snapshot.length;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor > 0;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
if (! hasNext())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[cursor++];
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
if (! hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[--cursor];
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor-1;
}
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public void set(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
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;
}
}

很明显，迭代器使用的是当前数组的快照，就是它本身。内部的add，set，remove操作直接抛异常，就是为了让调用者不能在迭代期间修改元素。

3. CopyOnWriteArrayList总结

优点：读操作远远多于写操作的场景下使用，比如说缓存，能实现同步和效率的双赢。

缺点：

1. 内存占有问题: 很明显，两个数组同时驻扎在内存中，如果实际应用中，数据比较多，而且比较大的情况下，占用内存会比较大，针对这个其实可以用ConcurrentHashMap来代替。
2. 数据一致性: 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。

4. CopyOnWriteArrayList使用

先看这样一段代码：


public static void main(String[] args) {
final List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
Thread t = new Thread(new Runnable() {
int count = -1;
@Override
public void run() {
while (true) {
list.add(String.valueOf(count++));
}
}
});
t.setDaemon(true);
t.start();
try {
Thread.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
for (String s : list) {
System.out.println(s);
}
}

执行直接报错：

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
   at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)
   at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)
   at io.kzw.advance.csdn_blog.ConcurrentTest.main(ConcurrentTest.java:105)

我们把ArrayList换成CopyOnWriteArrayList：


public static void main(String[] args) {
final List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
Thread t = new Thread(new Runnable() {
int count = -1;
@Override
public void run() {
while (true) {
list.add(String.valueOf(count++));
}
}
});
t.setDaemon(true);
t.start();
try {
Thread.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
for (String s : list) {
System.out.println(s);
}
}

执行OK，正常打印。

再来试试迭代器：


public static void main(String[] args) {
final List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
Thread t = new Thread(new Runnable() {
int count = -1;
@Override
public void run() {
while (true) {
list.add(String.valueOf(count++));
}
}
});
t.setDaemon(true);
t.start();
try {
Thread.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String next = iterator.next();
System.out.println(next);
}
}

可以正常打印输出。

但是如果对迭代器操作add，set或者remove呢？


public static void main(String[] args) {
final List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
list.add("c");
Thread t = new Thread(new Runnable() {
int count = -1;
@Override
public void run() {
while (true) {
list.add(String.valueOf(count++));
}
}
});
t.setDaemon(true);
t.start();
try {
Thread.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String next = iterator.next();
System.out.println(next);
if (next.equals("100")) {
iterator.remove();
}
}
}

可以看到，中间报错了：

Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException

这些例子都能验证上述的代码。