Java中的Copy-On-Write简介

CopyOnWriteArrayList解析

最新推荐文章于 2024-09-27 23:41:22 发布

Devin__Yang

最新推荐文章于 2024-09-27 23:41:22 发布

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分类专栏：多线程文章标签： java 并发

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本文详细介绍了CopyOnWrite容器的概念及CopyOnWriteArrayList的具体实现原理，包括其读写操作的特性，以及它在高并发环境下读多写少场景的优势与不足。

一、CopyOnWrite概念

CopyOnWrite容器通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

二、CopyOnWriteArrayList具体实现

get操作不需要加锁。如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

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

add操作需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

public boolean add(T e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {

        Object[] elements = getArray();

        int len = elements.length;
        // 复制出新数组

        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 把新元素添加到新数组里

        newElements[len] = e;
        // 把原数组引用指向新数组

        setArray(newElements);

        return true;

    } finally {

        lock.unlock();

    }

}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

set操作也需要加锁
可以看到该法使用ReentrantLock锁， Arrays.copyOf创建一个新的数组是核心思想体现，oldValue != element这个判断更是尽可能的提高性能的努力。
而在esle里面，明明没有任何修改，为什么还要条用set方法，并且在addAllAbsent 方法里面有没有使用，以及那句注释（Not quite a no-op; ensures volatile write semantics），有几封邮件讨论这个问题。
大意是说：为了确保 voliatile 的语义，任何一个读操作都应该是写操作的结构，所以尽管写操作没有改变数据，还是调用set方法，当然这仅仅是语义的说明，去掉也是可以的。而对于 addIfAbsent方法为什么没有使用set方法，那是因为该方法本身的语义就是写或者不写，不写故不需要保持语义。
参考如下：

http://cs.oswego.edu/pipermail/concurrency-interest/2010-February/006886.html
http://cs.oswego.edu/pipermail/concurrency-interest/2010-February/006887.html
http://cs.oswego.edu/pipermail/concurrency-interest/2010-February/006888.html
http://en.usenet.digipedia.org/thread/13652/1242/

public E set(int index, E element) {  
      final ReentrantLock lock = this.lock;  
      lock.lock();  
      try {  
          Object[] elements = getArray();  
          E oldValue = get(elements, index);  

          if (oldValue != element) {  
              int len = elements.length;  
              Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);  
              newElements[index] = element;  
              setArray(newElements);  
          } else {  
              // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics  
              setArray(elements);  
          }  
          return oldValue;  
      } finally {  
          lock.unlock();  
      }  
  }

三、CopyOnWriteArrayList优缺点

3.1 优点

适合读多写少的使用场景

3.2 缺点

内存占用问题 ：因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。

针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

数据一致性问题：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。

参考资料：
聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器
 CopyOnWriteArrayList 解读
 CopyOnWriteArrayList详解