CopyOnWrite的实现机制

本文介绍了Java中CopyOnWrite的实现机制,它采用写时复制,体现读写分离思想,读取时可写入,写入时加锁。还列举了相关实现类,以CopyOnWriteArrayList分析操作流程,指出其适合小集合且读多写少的场景,通过加锁保证线程同步安全。

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1、什么是CopyOnWrite
和单词描述的一样,他的实现就是写时复制, 在往集合中添加数据的时候,先拷贝存储的数组,然后添加元素到拷贝好的数组中,然后用现在的数组去替换成员变量的数组(就是get等读取操作读取的数组)。这个机制和读写锁是一样的,但是比读写锁有改进的地方,那就是读取的时候可以写入的 ,这样省去了读写之间的竞争,看了这个过程,你也发现了问题,同时写入的时候怎么办呢,当然果断还是加锁。 这体现了读写分离的思想:在写操作的线程,会将数组复制出来一份进行操作。而原本的数组不会做改变。读线程则不会受到影响,但是可能读到的是一个过期的数据。

2、CopyOnWrite都有哪些具体的实现类
在java中实现CopyOnWrite相关功能的类主要为:CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、CopyOnWriteHashMap。内部的具体都是十分相似的,在涉及到集合修改的地方对集合执行拷贝动作,在新拷贝的集合上进行修改操作。

3、CopyOnWrite流程分析
这里以CopyOnWriteArrayList进行操作流程分析。
集合的读取操作:

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

final Object[] getArray() {
    return array;
}

直接获取当前维护的集合引用,通过引用直接返回指定下标对应的元素 集合的修改操作:

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();
    }
}

添加新元素时,通过系统拷贝函数,直接将现有的集合拷贝至另一个新集合中,新集合的new.size = old.size+1,将新增的元素添加到新集合的空位中。

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();
    }
}

在删除操作时,除了移除当前指定的元素之外,还需要调整被删除之后元素的位置,即要保证在整个list中,所有的元素都是紧密挨着的,元素之间不存在空位。其中在代码中通过size-index-1来计算集合中需要进行移位操作的元素个数。在代码中的具体实现表现为两次拷贝,以待移除的元素索引为分割,首先拷贝[0,index),在拷贝(index,size),分两次拷贝动作将元素全部拷贝到一个全新的集合中。至此完成集合的元素修改。

4、CopyOnWrite的使用场景
由于在元素集合读取的时候,并没有相关的加锁操作,就读操作而言,不会影响集合的操作性能,但是由于修改操作会导致新集合的创建以及老集合的元素拷贝,比较消耗性能。而且由于修改操作在全操作中都会进行上锁来保证线程间的同步安全。所以CopyOnWrite操作更多的适合小集合并且读多写少的情况。这里的修改拷贝,主要是为了读写分离,线程间的同步安全通过在方法中使用ReentrantLock来对代码段进行加锁来保证。

<think>首先,用户的问题是:“我想了解CopyOnWriteArrayList的读写分离实现方式请问CopyOnWriteArrayList读写分离实现原理Java并发”。我需要基于提供的引用内容来回答。关键引用:-引用[1]:提到CopyOnWriteArrayList是基于CopyOnWrite机制实现的,读操作快,写操作慢。-引用[2]:说明CopyOnWriteArrayList是线程安全的,读操作无锁,写操作通过创建底层数组的新副本来实现。-引用[3]:强调CopyOnWriteArrayList是读写分离的并发策略。-引用[4]和[5]:讨论了弱一致性,并提供了一个示例代码,展示了迭代器在写操作后可能读取旧数据。用户的问题焦点是“读写分离实现原理”。我需要解释CopyOnWriteArrayList如何实现读写分离。###回答结构-**介绍**:简要介绍CopyOnWriteArrayList和其目的。-**读写分离原理**:详细解释读操作和写操作的处理方式。-读操作:无锁,直接访问数组。-写操作:创建新副本,修改副本,然后原子性地替换原数组。-**弱一致性**:解释为什么迭代器是弱一致性的,并引用示例。-**适用场景**:基于引用,提到读多写少的场景。-**代码示例**:提供简单的Java代码来演示原理。-**相关问题**:根据系统指令,生成相关问题。###确保格式-行内数学表达式用$...$(但在这个主题中可能不常用,除非涉及公式)。-独立公式用$$...$$(同样,可能不适用)。-使用中文回答。-添加引用标识:例如,[^1]。-生成相关问题。###内容大纲1.**介绍**:CopyOnWriteArrayList是Java并发包中的一个线程安全列表,基于读写分离机制。2.**读写分离实现**:-读操作:直接访问底层数组,不需要锁,因此高效。-写操作:当修改列表时(如add,remove),会创建一个新数组的副本,在新副本上进行修改,然后原子性地将引用指向新数组。这确保写操作不影响读操作。-使用volatile数组引用来保证可见性。3.**弱一致性**:迭代器在创建时会捕获当前数组的快照,因此即使在迭代过程中列表被修改,迭代器也不会看到新变化,这可能导致弱一致性(引用[4]和[5])。4.**优点和缺点**:-优点:读操作高效,无锁;写操作不阻塞读。-缺点:写操作开销大,因为需要复制数组;内存占用高。5.**适用场景**:读多写少的场景,如缓存或配置管理(引用[1])。6.**代码示例**:提供简化版代码或伪代码来演示原理。7.**相关问题**:生成2-3个相关问题。###生成相关问题基于系统指令:1.CopyOnWriteArrayList的弱一致性如何影响并发编程?2.CopyOnWriteArrayList和Vector在性能上有什么区别?3.CopyOnWriteArrayList在哪些实际应用中常用?###引用处理在回答中,自然地添加引用标识:-当提到读操作快时:[^1]-当解释写操作时:[^2],[^3]-当讨论弱一致性时:[^4],[^5]###完整回答-用中文。-结构清晰:分段落。-确保真实可靠:基于提供的引用。</think>### CopyOnWriteArrayList 的读写分离实现原理 CopyOnWriteArrayList 是 Java 并发包(`java.util.concurrent`)中的一个线程安全列表类,它通过读写分离机制实现高效并发访问。核心思想是将读操作和写操作解耦:**读操作无锁且直接访问数据,写操作则通过创建底层数组的新副本来执行修改**,确保线程安全。下面基于 Java 并发机制逐步解析其实现原理。 #### 1. **读写分离的核心机制** - **读操作(无锁访问)**: - CopyOnWriteArrayList 内部维护一个 volatile 数组(如 `volatile Object[] array`),所有读操作(如 `get()`、`size()`)直接访问该数组。由于数组引用被声明为 `volatile`,保证了多线程下的可见性,读操作无需加锁即可获取最新数据[^2][^3]。 - 示例代码:读操作简单高效。 ```java public E get(int index) { return (E) array[index]; // 直接访问数组,无锁 } ``` - **写操作(副本复制)**: - 当执行写操作(如 `add()`、`remove()`、`set()`)时,会创建一个底层数组的新副本(拷贝),在新副本上执行修改。修改完成后,通过原子操作(如 `ReentrantLock`)将 volatile 数组引用指向新副本。旧数组会被垃圾回收[^2][^3]。 - 关键步骤: 1. 加锁(确保写操作互斥)。 2. 复制当前数组到新数组。 3. 在新数组上执行修改。 4. 原子性地更新数组引用。 5. 释放锁。 - 示例代码:写操作的核心逻辑。 ```java public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); // 加锁 try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 创建副本 newElements[len] = e; // 修改副本 setArray(newElements); // 原子更新引用 return true; } finally { lock.unlock(); // 释放锁 } } ``` - 这种机制确保写操作不影响正在进行的读操作(读操作始终访问旧数组),实现了读写分离[^3]。 #### 2. **弱一致性的表现** - 由于读操作访问的是写操作发生前的数组快照,迭代器(`Iterator`)在创建时会捕获当前数组状态。即使后续写操作修改了列表,迭代器也不会感知新变化,这称为**弱一致性**(weakly consistent)[^4][^5]。 - 示例场景(基于引用[4]): - 线程 A 创建迭代器并开始遍历列表。 - 线程 B 同时删除一个元素(创建新副本并更新引用)。 - 线程 A 的迭代器仍基于旧数组遍历,可能输出已被删除的元素。 - 代码演示: ```java CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); list.add("A"); list.add("B"); Iterator<String> it = list.iterator(); // 创建迭代器(捕获快照) list.remove(0); // 写操作修改列表 while (it.hasNext()) { System.out.println(it.next()); // 输出 "A" 和 "B",尽管 "A" 已被删除 } ``` - 弱一致性适用于读多写少场景,避免了 `ConcurrentModificationException`,但可能返回过时数据[^5]。 #### 3. **优点与适用场景** - **优点**: - 读操作高效无锁,适合高频读取。 - 写操作线程安全,不阻塞读操作。 - **缺点**: - 写操作开销大(数组复制),不适合写密集型场景。 - 内存占用高(旧副本暂存)。 - **适用场景**:读多写少的应用,如缓存系统、配置管理或事件监听器列表(引用[1]中提到“读操作可以尽可能的快,而写即使慢一些也没关系”)[^1][^3]。 #### 4. **与其他容器的对比** - **vs Vector**:Vector 使用全表锁(`synchronized`),读写均互斥;CopyOnWriteArrayList 读写分离,读操作无锁,性能更高。 - **vs Collections.synchronizedList**:类似 Vector,锁粒度粗,而 CopyOnWriteArrayList 优化了读并发。 通过读写分离,CopyOnWriteArrayList 在保证线程安全的同时,显著提升了并发读性能,但需权衡写操作的开销和弱一致性[^2][^3]。
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