Java CopyOnWriteArrayList Copy on Write(写时复制)

Java CopyOnWriteArrayList Copy on Write(写时复制)分析

Copy on Write这种机制用在集合上，当读取元素，先复制原有集合内容，在集合的某个副本上进行遍历操作。当发生写操作时，首先复制原有集合内容生成一个副本，随后在这个副本上进行写操作。

        CopyOnWriteArrayList<Integer> ids = new CopyOnWriteArrayList<>();
        ids.add(5);
        for (Integer i : ids) {
            System.out.println(i);
            ids.add(6);
        }

        for (Integer i : ids) {
            System.out.println(i);
        }

以上代码以CopyOnWriteArrayList为例。我们知道使用foreach语法糖进行集合遍历时，实际上是通过迭代器对象来进行遍历。

CopyOnWriteArrayList内部维护了array对象，并COWIterator进行元素迭代。访问通array对象内的元素。

    private transient volatile Object[] array;

当循环开始首先创建COWIterator对象，这时COWIterator内部维护的snapshot对象指向CopyOnWriteArrayList的array对象。而在循环执行过程中snapshot将不会发生变化。因此即使在循环中对CopyOnWriteArrayList进行修改，也不会影响snapshot结果。所以不会造成ConcurrentModificationException的问题。

        private final Object[] snapshot;
        /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
        private int cursor;

        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        }

当对list执行修改操作，这是会新创建一段存储空间，并拷贝原有数据。随后在这个新的副本空间上进行修改。当修改完毕执行setArray，修改
CopyOnWriteArrayList中array成员，array指向新的存储空间。而迭代器在初始化时保存的是旧的存储空间引用。因此写操作不会对当前循环发生影响。当再次循环遍历时可以看到新增加的元素输出。

    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

此外我们看到add操作是加了锁。当多线程操作同时发生修改操作，若不加锁会导致数据发生覆盖，添加数据丢失。

总结

Copy on write提供了一种机制，当遍历一个集合时，首先纪录集合当时的快照引用。那么遍历就是对集合某个时刻快照进行遍历。当发生写操作会生成新的副本，修改操作发生在新的副本上，而不对原有存储空间修改。这种思路下，读写处理了不同的数据存储区域， 避免了并发修改异常的问题。但这种方式也会造成数据读取时短暂不一致状态。

参考

jdk1.8 java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList