JAVA中写时复制(Copy-On-Write)Map实现

最新推荐文章于 2024-09-06 23:33:06 发布

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本文深入探讨了写时复制(Copy-On-Write)技术在Java并发编程中的应用，特别是其在容器类如CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteHashMap中的实现。文章详细解释了写时复制如何通过创建副本进行修改来实现读写分离，从而提高并发性，同时也讨论了这种技术的内存开销和数据一致性问题。

1，什么是写时复制(Copy-On-Write)容器？

写时复制是指：在并发访问的情景下，当需要修改JAVA中Containers的元素时，不直接修改该容器，而是先复制一份副本，在副本上进行修改。修改完成之后，将指向原来容器的引用指向新的容器(副本容器)。

2，写时复制带来的影响

①由于不会修改原始容器，只修改副本容器。因此，可以对原始容器进行并发地读。其次，实现了读操作与写操作的分离，读操作发生在原始容器上，写操作发生在副本容器上。

②数据一致性问题：读操作的线程可能不会立即读取到新修改的数据，因为修改操作发生在副本上。但最终修改操作会完成并更新容器，因此这是最终一致性。

3，在JDK中提供了CopyOnWriteArrayList类和CopyOnWriteArraySet类，但是并没有提供CopyOnWriteMap的实现。因此，可以参考CopyOnWriteArrayList自己实现一个CopyOnWriteHashMap

这里主要是实现在写操作时，如何保证线程安全。

复制代码

import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;


public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable{

    private volatile Map<K, V> internalMap;
    
    public CopyOnWriteMap() {
        internalMap = new HashMap<K, V>(100);//初始大小应根据实际应用来指定
    }
    
    @Override
    public V put(K key, V value) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);//复制出一个新HashMap
            V val = newMap.put(key, value);//在新HashMap中执行写操作
            internalMap = newMap;//将原来的Map引用指向新Map
            return val;
        }
    }
    
    @Override
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            newMap.putAll(m);
            internalMap = newMap;
        }
        
    }
    
    @Override
    public V get(Object key) {
        V result = internalMap.get(key);
        return result;
    }
    ......//other methods inherit from interface Map
}

复制代码

从上可以看出，对于put() 和 putAll() 而言，需要加锁。而读操作则不需要，如get(Object key)。这样，当一个线程需要put一个新元素时，它先锁住当前CopyOnWriteMap对象，并复制一个新HashMap，而其他的读线程因为不需要加锁，则可继续访问原来的HashMap。

4，应用场景

CopyOnWrite容器适用于读多写少的场景。因为写操作时，需要复制一个容器，造成内存开销很大，也需要根据实际应用把握初始容器的大小。

不适合于数据的强一致性场合。若要求数据修改之后立即能被读到，则不能用写时复制技术。因为它是最终一致性。

总结：写时复制技术是一种很好的提高并发性的手段。

５，为什么会出现COW？

集合类(ArrayList、HashMap)上的常用操作是：向集合中添加元素、删除元素、遍历集合中的元素然后进行某种操作。当多个线程并发地对一个集合对象执行这些操作时就会引发ConcurrentModificationException，比如线程A在for-each中遍历ArrayList，而线程B同时又在删除ArrayList中的元素，就可能会抛出ConcurrentModificationException，可以在线程A遍历ArrayList时加锁，但由于遍历操作是一种常见的操作，加锁之后会影响程序的性能，因此for-each遍历选择了不对ArrayList加锁而是当有多个线程修改ArrayList时抛出ConcurrentModificationException，因此，这是一种设计上的权衡。

为了应对多线程并发修改这种情况，一种策略就是本文的主题“写时复制”机制；另一种策略是：线程安全的容器类：

ArrayList--->CopyOnWriteArrayList

HashMap--->ConcurrentHashMap

而ConcurrentHashMap并不是从“复制”这个角度来应对多线程并发修改，而是引入了分段锁(JDK7)；CAS、锁(JDK11)解决多线程并发修改的问题。