Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析
1. 簡介
在 ArrayList 的類注釋上，JDK 就提醒了我們，如果要把 ArrayList 作為共享變量的話，是線程不安全的，推薦我們自己加鎖或者使用 Collections.synchronizedList 方法，其實 JDK 還提供了另外一種線程安全的 List，叫做 CopyOnWriteArrayList
2. 原理
很多時候，我們的系統(tǒng)應對的都是讀多寫少的并發(fā)場景。CopyOnWriteArrayList容器允許并發(fā)讀，讀操作是無鎖的，性能較高。至于寫操作，比如向容器中添加一個元素，則首先將當前容器復制一份，然后在新副本上執(zhí)行寫操作，結束之后再將原容器的引用指向新容器。
- 線程安全的，多線程環(huán)境下可以直接使用，無需加鎖；
- 通過鎖 + 數(shù)組拷貝 + volatile 關鍵字保證了線程安全；
- 每次數(shù)組操作，都會把數(shù)組拷貝一份出來，在新數(shù)組上進行操作，操作成功之后再賦值回去。
從整體架構上來說，CopyOnWriteArrayList 數(shù)據(jù)結構和 ArrayList 是一致的，底層是個數(shù)組，只不過 CopyOnWriteArrayList 在對數(shù)組進行操作的時候，基本會分四步走：
- 加鎖；
- 從原數(shù)組中拷貝出新數(shù)組；
- 在新數(shù)組上進行操作，并把新數(shù)組賦值給數(shù)組容器；
- 解鎖
除了加鎖之外，CopyOnWriteArrayList 的底層數(shù)組還被 volatile 關鍵字修飾，意思是一旦數(shù)組被修改，其它線程立馬能夠感知到，代碼如下：
private transient volatile Object[] array;
整體上來說，CopyOnWriteArrayList 就是利用鎖 + 數(shù)組拷貝 + volatile 關鍵字保證了 List 的線程安全。
3. 優(yōu)點
讀操作（不加鎖）性能很高，因為無需任何同步措施，比較適用于讀多寫少的并發(fā)場景。Java的list在遍歷時，若中途有別的線程對list容器進行修改，則會拋ConcurrentModificationException異常。而CopyOnWriteArrayList由于其"讀寫分離"的思想，遍歷和修改操作分別作用在不同的list容器，所以在使用迭代器進行遍歷時候，也就不會拋出ConcurrentModificationException異常了。
4. 缺點
一是內存占用問題，畢竟每次執(zhí)行寫操作都要將原容器拷貝一份。數(shù)據(jù)量大時，對內存壓力較大，可能會引起頻繁GC；
二是無法保證實時性，因為CopyOnWrite的寫時復制機制，所以在進行寫操作的時候，內存里會同時駐扎兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意：在復制的時候只是復制容器里的引用，只是在寫的時候會創(chuàng)建新對象添加到新容器里，而舊容器的對象還在使用，所以有兩份對象內存）。
5. 源碼分析
5.1 添加操作
public boolean add(E e) {
//ReentrantLock加鎖，保證線程安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//拷貝原容器，長度為原容器長度加一
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//在新副本上執(zhí)行添加操作
newElements[len] = e;
//將原容器引用指向新副本
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//解鎖
lock.unlock();
}
}添加的邏輯很簡單，先將原容器copy一份，然后在新副本上執(zhí)行寫操作，之后再切換引用。當然此過程是要加鎖的。
5.2 刪除操作
public E remove(int index) {
//加鎖
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)
//如果要刪除的是列表末端數(shù)據(jù)，拷貝前l(fā)en-1個數(shù)據(jù)到新副本上，再切換引用
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
//否則，將除要刪除元素之外的其他元素拷貝到新副本中，并切換引用
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 {
//解鎖
lock.unlock();
}
}刪除操作同理，將除要刪除元素之外的其他元素拷貝到新副本中，然后切換引用，將原容器引用指向新副本。同屬寫操作，需要加鎖。
我們再來看看讀操作，CopyOnWriteArrayList的讀操作是不用加鎖的，性能很高。
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}直接讀取即可，無需加鎖
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}5.3 弱一致性的迭代器
所謂弱一致性是指返回迭代器后，其他線程對list的增刪改查對迭代器是不可見的
// 演示多線程下迭代器的弱一致性結果
public class copylist {
private static volatile CopyOnWriteArrayList<String> arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
arrayList.add("hello");
arrayList.add("alibaba");
arrayList.add("welcome");
arrayList.add("to");
arrayList.add("hangzhou");
Thread threadOne = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 修改list中下標為1的元素為ali
arrayList.set(1, "ali");
// 刪除元素
arrayList.remove(2);
arrayList.remove(3);
}
});
// 保證在修改線程啟動前獲取迭代器
Iterator<String> itr = arrayList.iterator();
// 啟動線程
threadOne.start();
// 等待子線程執(zhí)行完畢
threadOne.join();
while(itr.hasNext()) {
System.out.println(itr.next());
}
}
}執(zhí)行程序：
hello
alibaba
welcome
to
hangzhou
Process finished with exit code 0
從輸出結果我們知道，在子線程里面進行的操作一個都沒有生效，這就是迭代器弱一致性的體現(xiàn)。需要注意的是，獲取迭代器的操作必須在子線程操作之前進行。
6. ArrayList轉為線程安全的方法
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
到此這篇關于Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析的文章就介紹到這了,更多相關CopyOnWriteArrayList解析內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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