ArrayList Collections.synchronizedList CopyOnWriteArrayList

本文详细解析了ArrayList的工作原理,包括默认容量、数组扩容机制、添加与删除元素的过程,并对比了Collections.synchronizedList与CopyOnWriteArrayList的特点及适用场景。

一、ArrayList

    // 调用无参构造器时, 且在调用添加第一个元素时设置的默认大小
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 定义数组长度为0时, 缓存数组elementData=EMPTY_ELEMENTDATA 
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 调用无参构造器时的默认空数组, 缓存数组elementData=DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};
    // 数据存放对象
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    // 存放了多少个数据在数组中
    private int size;
    // 要分配的数组的最大大小。有些虚拟机在数组中保留一些头字。尝试分配更大的数组可能会导致OutOfMemoryError:请求的数组大小超过虚拟机限制
	private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
  1. 无参构造器
    在这里插入图片描述
  2. 指定数据大小的构造器,如果大于0创建一个新的数组,如果等于0,赋值默认大小的数组
    在这里插入图片描述
  3. 添加元素方法add(E e)
    public boolean add(E e) {
    	// 原数组大小+1
        ensureCapacityInternal(size + 1);  
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
    private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
        if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        	// 进入到if条件中, 是通过无参构造方法生成的且是第一次添加元素。取默认大小和szie+1后两个树中的最大值
            return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
        }
        return minCapacity;
    }
    private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
        ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
    }
    private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    	// 数据结构被修改的次数
        modCount++;

        // 如果添加元素后返回的大小大于数组的长度, 表示数组的长度不够, 则开始扩容
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }  
	private void grow(int minCapacity) {
        // 旧的数组长度
        int oldCapacity = elementData.length;
        // 新的数组长度 = 旧的数组长度 + 旧的数组长度向右移1位。位运算符速度执行快
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        // 1. 新的长度小于需要指定最小的长度, 则使用指定最小的长度
        // 2. 或者oldCpacity=2136372536, oldCapacity + (oldCapacity >> 1)=-1090408492, 位运算向右移后再相加, 导致超出32位舍弃最高度, 刚好导致最高位为1, 变成了负数
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        // 新的长度大于最大的数据分配, 取最大的长度
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }   
	private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
		// 如果数组的长度为int最大值2147483647, +1后会超过32位最大值丢弃最高位变为负数-2147483648
        if (minCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
            Integer.MAX_VALUE :
            MAX_ARRAY_SIZE;
    }
  1. 指定位置添加元素add(int index, E element),list长度很大时尽量少使用,每次添加都会导致数组复制效率很低
    public void add(int index, E element) {
        rangeCheckForAdd(index);

        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                         size - index);
        elementData[index] = element;
        size++;
    }
  1. List list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1,2,3,1,2,1,3,1,1,2,2,2,2,3,3,3)); 怎么删除List中所有为1的数据?
	// 正确代码,使用迭代器删除
    List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1,2,3,1,2,1,3,1,1,2,2,2,2,3,3,3));
    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Integer next = iterator.next();
        if (next == 1) {
            iterator.remove();
        }
    }
    // 错误代码1, 输出结果为[2, 3, 2, 3, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3]
    List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1,2,3,1,2,1,3,1,1,2,2,2,2,3,3,3));
    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
        if (list.get(i) == 1) {
            list.remove(i);
        }
    }
    // 错误代码2, 输出结果抛出异常java.util.ConcurrentModificationException, for循环在编译后会转换成iterator。
    List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(1,2,3,1,2,1,3,1,1,2,2,2,2,3,3,3));
    for (Integer i: list) {
        if (i == 1) {
        	// 
            list.remove(i);
        }
    }
    // list.remove的代码
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);
		// 这里只修改了modCount, 没有修改迭代器中的变量expectedModCount, 在调用迭代器的方法next()时会抛出异常
        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }
    /****************************************   ****************************************/
    // 在ArrayList的迭代器中next()方法会校验修改数据的次数
    public E next() {
       checkForComodification();
       int i = cursor;
       if (i >= size)
           throw new NoSuchElementException();
       Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
       if (i >= elementData.length)
           throw new ConcurrentModificationException();
       cursor = i + 1;
       return (E) elementData[lastRet = i];
   }
   final void checkForComodification() {
   	// 如果使用了迭代器遍历, 但是没用使用迭代器的remove()方法删除元素, 会导致两个变量不相等抛出异常
   	if (modCount != expectedModCount)
           throw new ConcurrentModificationException();
   }
   public void remove() {
       if (lastRet < 0)
           throw new IllegalStateException();
       checkForComodification();

       try {
           ArrayList.this.remove(lastRet);
           cursor = lastRet;
           lastRet = -1;
           // 迭代器的remove方法对expectedModCount重新复制
           expectedModCount = modCount;
       } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
           throw new ConcurrentModificationException();
       }
   }

二、Collections.synchronizedList

  1. 使用方法 List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList()); 且该方法返回的是一个方法都加锁的对象SynchronizedList
  2. 多线程下使用for循环遍历,或者迭代器遍历必须手动加锁。
	// 锁对象为自身
    SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
        this.c = Objects.requireNonNull(c);
        mutex = this;
    }
	// 锁对象为mutex
    SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {
        this.c = Objects.requireNonNull(c);
        this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);
    }
    public int size() {
        synchronized (mutex) {return c.size();}
    }
	// 源码中没有加锁必须手动加锁
    public Iterator<E> iterator() {
        return c.iterator(); // Must be manually synched by user!
    }
    public boolean add(E e) {
        synchronized (mutex) {return c.add(e);}
    }
    public boolean remove(Object o) {
        synchronized (mutex) {return c.remove(o);}
    }
  1. 同时操作add和contains方法时,两个单独的方法虽然是线程安全的。但是两个方法同时调用却不是原子性操作,也需要加锁
	List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
	// 多线程往list中添加数据
	for (int i = 0; i < 50; i++) {
	    Thread thread = new Thread(new Runnable() {
	        @Override
	        public void run() {
	            synchronized (list) {
	                if (!list.contains(1)) {
	                    list.add(1);
	                } 
	            }
	        }
	    });
	    thread.start();
	}

三、CopyOnWriteArrayList

  1. 对CopyOnWriteArrayList进行修改,会先拷贝一个新数组然后在其上进行操作。修改后的内容其他线程不会及时看到,只能等修改操作完成后才看到。所以如果业务需要看到及时的数据CopyOnWriteArrayList是适用这个业务的。而且每次修改都会有拷贝数组的操作,所以也不适用有大量修改的业务。
  2. 因为修改操作是在新数组上进行,对原数组不会影响。所以读取方法不需要加锁,读取操作性能很快。CopyOnWriteArrayList适用读取操作多,修改操作少的业务。
  3. 多线程下使用for循环遍历,不需要手动加锁,因为遍历时,即使有线程修改也是修改复制的新数组
	// 读取方法
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }
    // 添加方法
    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 加锁
        lock.lock();
        try {
        	// 旧数组
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 将旧数组的值复制到新数组上
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            // 新数组添加元素
            newElements[len] = e;
            // list的数据列表替换为新数组
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

参考内容

  1. https://www.jianshu.com/p/0b3e5df6fe57
<think>我们正在讨论Collections.synchronizedList()和CopyOnWriteArrayList的区别。根据引用内容,我们可以从以下几个方面进行对比: 1. **线程安全实现机制**: - `Collections.synchronizedList()`:通过在每个方法上使用synchronized关键字来实现线程安全。这意味着每次只有一个线程可以访问该列表的方法(读或写都需要获取锁)[^1][^2][^3]。 - `CopyOnWriteArrayList`:使用写时复制(Copy-On-Write)技术。当进行写操作(添加、修改、删除)时,它会复制底层数组,修改在新数组上进行,然后替换引用。读操作则直接在旧数组(快照)上进行,无需加锁[^1][^2][^4]。 2. **性能特点**: - **读操作**: - `CopyOnWriteArrayList`:读操作不需要加锁,因此读性能非常高,尤其是在读多写少的场景中[^1][^2][^4]。 - `Collections.synchronizedList()`:读操作需要获取锁,因此读性能相对较低(因为存在锁竞争)[^1][^2]。 - **写操作**: - `CopyOnWriteArrayList`:写操作需要复制整个数组,因此写性能较差(尤其是在数据量大时)[^1][^2][^4]。 - `Collections.synchronizedList()`:写操作只需要获取锁,不需要复制数组,因此写性能相对较好(但锁竞争激烈时性能会下降)[^1][^2]。 3. **内存使用**: - `CopyOnWriteArrayList`:在写操作时会复制整个数组,因此内存占用较高(尤其是在写操作频繁时)[^2][^4]。 - `Collections.synchronizedList()`:内存占用较低,因为它只是对原有列表的包装,没有额外的数组复制[^2]。 4. **迭代器行为**: - `CopyOnWriteArrayList`:迭代器是弱一致性的。迭代器创建时持有当时数组的快照,因此不会抛出`ConcurrentModificationException`,但迭代过程中可能无法反映最新的修改[^1][^2][^5]。 - `Collections.synchronizedList()`:迭代器是快速失败的。在迭代过程中如果列表被修改(除了通过迭代器自身的remove或add方法),会立即抛出`ConcurrentModificationException`。因此,在迭代时必须手动同步整个迭代过程[^1][^2][^5]。 5. **复合操作的原子性**: - `Collections.synchronizedList()`:虽然单个操作是线程安全的,但复合操作(如“检查再执行”:先检查是否存在再添加)需要外部同步(synchronized块)来保证原子性[^4]。 - `CopyOnWriteArrayList`:由于每次写操作都会复制新数组,因此其部分复合操作(如`addIfAbsent()`)是原子操作,无需额外同步[^4]。 **总结表格**: | 特性 | `Collections.synchronizedList()` | `CopyOnWriteArrayList` | |--------------------------|--------------------------------------------------|------------------------------------------------| | **线程安全机制** | 方法级synchronized锁 | 写时复制(读无锁,写加锁) | | **读性能** | 中等(需要获取锁) | 非常高(无锁) | | **写性能** | 中等(只需要获取锁,无复制) | 低(需要复制整个数组) | | **内存占用** | 低 | 高(写操作时可能产生内存压力) | | **迭代器行为** | 快速失败(需要外部同步迭代) | 弱一致性(无需同步,但可能不是最新数据) | | **复合操作原子性** | 需要外部同步 | 内置原子方法(如`addIfAbsent()`) | | **适用场景** | 读写相对均衡,或写多读少 | 读多写少(如监听器列表、配置信息等) | **选择建议**: - 如果需要频繁读取而很少写入,选择`CopyOnWriteArrayList`。 - 如果读写操作相对均衡,或者写操作较多,选择`Collections.synchronizedList()`可能更合适。 - 如果需要在迭代过程中避免并发修改异常,且可以接受可能读取到稍旧的数据,则选择`CopyOnWriteArrayList`。 - 如果需要执行复合操作(如“检查再添加”),并且不想手动同步,则`CopyOnWriteArrayList`提供了内置的原子方法(如`addIfAbsent()`)[^4]。 **示例代码对比**: 使用`Collections.synchronizedList()`时,遍历需要手动同步: ```java List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); // 添加元素不需要额外同步(因为每个方法都同步) syncList.add("A"); syncList.add("B"); // 遍历时需要手动同步 synchronized (syncList) { for (String s : syncList) { System.out.println(s); } } ``` 使用`CopyOnWriteArrayList`时,遍历无需同步: ```java CopyOnWriteArrayList<String> cowList = new CopyOnWriteArrayList<>(); cowList.add("A"); cowList.add("B"); // 遍历无需同步(使用创建迭代器时的数组快照) for (String s : cowList) { System.out.println(s); } ``` **注意事项**: - 对于`CopyOnWriteArrayList`,在写操作频繁的场景下,由于反复复制数组,可能导致性能下降和内存占用增加。 - 对于`Collections.synchronizedList()`,在高并发场景下,锁竞争可能导致性能瓶颈。 通过以上对比,可以根据具体应用场景选择合适的线程安全列表实现。 --- §§相关问题§§ 1. `CopyOnWriteArrayList` 在写多读少场景下为何性能差? 2. 如何保证 `Collections.synchronizedList()` 复合操作的线程安全? 3. `CopyOnWriteArrayList` 的迭代器弱一致性具体指什么? 4. 在哪些实际应用场景中优先选择 `CopyOnWriteArrayList`?</think>### Collections.synchronizedList() 与 CopyOnWriteArrayList 核心区别 #### 1. **线程安全机制** | **特性** | `Collections.synchronizedList()` | `CopyOnWriteArrayList` | |-------------------|-------------------------------------------------|---------------------------------------------| | **实现原理** | 方法级 `synchronized` 全局锁 | 写时复制 (Copy-On-Write) + `ReentrantLock` | | **锁粒度** | 整个列表对象锁 | 仅写操作加锁(读操作无锁) | | **锁类型** | 悲观锁 | 写操作为悲观锁,读操作为乐观锁 | | **典型代码** | ```synchronized(mutex) { list.add(e); }``` [^1] | ```lock.lock(); 复制数组; 修改; 替换引用``` [^4] | #### 2. **性能对比** | **场景** | `Collections.synchronizedList()` | `CopyOnWriteArrayList` | **原因分析** | |-------------------|----------------------------------|-------------------------------|-----------------------------------------------------------------------------| | **读操作** | 中等(需抢锁)[^1][^2] | **极高**(无锁直接访问)[^1] | 读操作无需复制数据或等待锁释放 | | **写操作** | **较高**(仅需抢锁)[^1][^2] | 极低(需复制整个数组)[^1][^4] | 每次写操作需复制新数组 ($O(n)$),数据量大时性能急剧下降 | | **复合操作** | 需外部同步[^4] | 内置原子方法(如`addIfAbsent`)| `synchronizedList` 需手动同步检查-修改操作 | | **内存占用** | 低(仅包装原列表)[^2] | 高(写操作时双倍内存)[^2] | 写操作需复制整个数组 | #### 3. **迭代器行为** | **特性** | `Collections.synchronizedList()` | `CopyOnWriteArrayList` | |-------------------|-----------------------------------------|-------------------------------------| | **一致性** | 快速失败 (Fail-Fast) [^5] | 弱一致性 (Weakly Consistent) [^1][^4] | | **并发修改** | 抛出 `ConcurrentModificationException` | 使用迭代器创建时的数组快照 | | **同步要求** | 需手动同步整个迭代过程[^2][^4] | **无需额外同步** | | **示例代码** | ```synchronized(list) { for(...) }``` | 直接使用 `for-each` 循环 | #### 4. **适用场景** | **场景** | 推荐容器 | **原因** | |--------------------------|-----------------------------------|-------------------------------------------------------------------------| | **高频读 + 低频写** | `CopyOnWriteArrayList` [^1][^4] | 读操作无锁优势明显(如配置信息、监听器列表) | | **读写均衡/高频写** | `Collections.synchronizedList()` [^1] | 写操作无数组复制开销 | | **大型集合写操作** | `Collections.synchronizedList()` | 避免大数组复制的内存和CPU消耗 | | **需要原子复合操作** | `CopyOnWriteArrayList` [^4] | 内置 `addIfAbsent()` 等原子方法 | | **迭代频繁且怕异常** | `CopyOnWriteArrayList` | 迭代过程永不抛 `ConcurrentModificationException` | --- ### 关键问题解析 #### 1. **为什么写多读少时 `CopyOnWriteArrayList` 性能差?** - **数组复制开销**:每次写操作(`add/set/remove`)需复制整个数组,时间复杂度 $O(n)$ - **内存压力**:大集合修改时可能触发GC(如1GB数组修改需额外1GB内存) - **锁竞争**:虽然写操作用锁,但复制过程阻塞其他写操作[^1][^4] #### 2. **如何保证 `synchronizedList` 复合操作安全?** ```java List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); // 错误方式:非原子操作 if (!list.contains("key")) { list.add("key"); // 可能被其他线程打断 } // 正确方式:外部同步块 synchronized (list) { // 获取与内部相同的锁 if (!list.contains("key")) { list.add("key"); } } // 同步块结束释放锁[^4] ``` #### 3. **`CopyOnWriteArrayList` 迭代器弱一致性** - 迭代器创建时**固定当前数组引用**为快照 - 后续写操作修改的是**新复制的数组**,不影响快照 - 迭代器遍历的是**历史数据**,可能不包含最新修改[^1][^4] --- ### 总结对比表 | **维度** | `Collections.synchronizedList()` | `CopyOnWriteArrayList` | |------------------|---------------------------------------|---------------------------------------| | **线程安全机制** | 方法级 `synchronized` 全局锁 | 写时复制 + 桶锁 | | **读性能** | ⭐⭐ (需抢锁) | ⭐⭐⭐⭐⭐ (无锁) | | **写性能** | ⭐⭐⭐ (仅锁竞争) | ⭐ (数组复制开销) | | **内存效率** | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐ (写时双倍内存) | | **迭代安全性** | 需手动同步 | 内置安全 | | **复合操作** | 需外部同步 | 内置原子方法 | | **最佳场景** | 写多读少/均衡 | 读多写少/要求无锁读 | > **经验法则**: > - 监听器列表(读多写少) → `CopyOnWriteArrayList` > - 高频更新的业务数据 → `Collections.synchronizedList()` 或 `ConcurrentHashMap` > - 需要安全迭代 → 优先选 `CopyOnWriteArrayList` 避免手动同步 ---
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