java并发编程(三十四)——并发工具之CopyOnWriteArrayList详解

最新推荐文章于 2024-09-20 08:45:48 发布

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#java #开发语言 #后端

本文详细介绍了CopyOnWriteArrayList的使用场景、特点、缺点以及源码分析。CopyOnWriteArrayList通过CopyOnWrite机制实现了在并发环境下读操作的高性能，允许在迭代时修改集合。其在内存占用、大量元素修改时存在性能问题，且不保证数据实时一致性。源码分析揭示了其加锁、数组复制和迭代器设计的细节。

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前言

在 CopyOnWriteArrayList 出现之前，我们已经有了 ArrayList 和 LinkedList 作为 List 的数组和链表的实现，而且也有了线程安全的 Vector 和 Collections.synchronizedList() 可以使用。所以首先就让我们来看下线程安全的 Vector 的 add方法的代码：

/**
     * Appends the specified element to the end of this Vector.
     *
     * @param e element to be appended to this Vector
     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
     * @since 1.2
     */
    public synchronized boolean add(E e) {
   
   
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

可以看出，Vector 内部是使用 synchronized 来保证线程安全的，查看源码可以发现Vector的多处方法都使用synchronized，并且锁的粒度比较大，都是方法级别的锁，在并发量高的时候，很容易发生竞争，并发效率相对比较低。在这一点上，Vector 和 Hashtable 很类似。

前面这几种 List 在迭代期间不允许编辑，如果在迭代期间进行添加或删除元素等操作，则会抛出 ConcurrentModificationException 异常，这样的特点也在很多情况下给使用者带来了麻烦。

所以从 JDK1.5 开始，Java 并发包里提供了使用 CopyOnWrite 机制实现的并发容器 CopyOnWriteArrayList 作为主要的并发 List，CopyOnWrite 的并发集合还包括 CopyOnWriteArraySet，其底层正是利用 CopyOnWriteArrayList 实现的。所以今天我们以 CopyOnWriteArrayList 为突破口，来看一下 CopyOnWrite 容器的特点。

使用场景

读操作可以尽可能的快，而写即使慢一些也没关系

在很多应用场景中，读操作可能会远远多于写操作。比如，有些系统级别的信息，往往只需要加载或者修改很少的次数，但是会被系统内所有模块频繁的访问。对于这种场景，我们最希望看到的就是读操作可以尽可能的快，而写即使慢一些也没关系。

读多写少

黑名单是最典型的场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单中，黑名单并不需要实时更新，可能每天晚上更新一次就可以了。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单中，如果在，则提示不能搜索。这种读多写少的场景也很适合使用 CopyOnWrite 集合。

特点

读写锁的思想是：读读共享、其他都互斥（写写互斥、读写互斥、写读互斥），原因是由于读操作不会修改原有的数据，因此并发读并不会有安全问题；而写操作是危险的，所以当写操作发生时，不允许有读操作加入，也不允许第二个写线程加入。

对读写锁规则的升级

CopyOnWriteArrayList 的思想比读写锁的思想又更进一步。为了将读取的性能发挥到极致，CopyOnWriteArrayList 读取是完全不用加锁的，更厉害的是，写入也不会阻塞读取操作，也就是说你可以在写入的同时进行读取，只有写入和写入之间需要进行同步，也就是不允许多个写入同时发生，但是在写入发生时允许读取同时发生。这样一来，读操作的性能就会大幅度提升。

CopyOnWrite的含义

从 CopyOnWriteArrayList 的名字就能看出它是满足 CopyOnWrite 的 ArrayList，CopyOnWrite 的意思是说，当容器需要被修改的时候，不直接修改当前容器，而是先将当前容器进行 Copy，复制出一个新的容器，然后修改新的容器，完成修改之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样就完成了整个修改过程。

看添加元素的方法源码如下：

 /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
     */
    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();
        }
    }

这样做的好处是，CopyOnWriteArrayList 利用了“不变性”原理，因为容器每次修改都是创建新副本，所以对于旧容器来说，其实是不可变的，也是线程安全的，无需进一步的同步操作。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，也不会有修改。

CopyOnWriteArrayList 的所有修改操作（add，set等）都是通过创建底层数组的新副本来实现的，所以 CopyOnWrite 容器也是一种读写分离的思想体现，读和写使用不同的容器。

迭代期间允许修改集合内容

Arraylist在迭代期间是不允许修改集合内容的，看如下代码：

package com.concurrency;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
/**
演示ArrayList在迭代期间不允许修改集合内容
**/
public class ArrayListDemo {
   
   
    public static void main(