CopyOnWriteArrayList与Collections.synchronizedList的性能对比

列表实现有ArrayList、Vector、CopyOnWriteArrayList、Collections.synchronizedList(list)四种方式。

1 ArrayList

        ArrayList是非线性安全，此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的：在创建迭代器之后，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改，否则在任何时间以任何方式对列表进行修改，迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。即在一方在便利列表，而另一方在修改列表时，会报ConcurrentModificationException错误。而这不是唯一的并发时容易发生的错误，在多线程进行插入操作时，由于没有进行同步操作，容易丢失数据。

[java]  view plain copy

1. public boolean add(E e) {  
2. ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
3. elementData[size++] = e;//使用了size++操作，会产生多线程数据丢失问题。  
4. return true;  
5.    }  

        因此，在开发过程当中，ArrayList并不适用于多线程的操作。

2 Vector

        从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，采用数组实现。其线程安全的实现方式是对所有操作都加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了，Stackoverflow当中有这样的描述： Why is Java Vector class considered obsolete or deprecated?。

3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList

       CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现，其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下，应该选择不同的多线程安全实现类。

3.1 Collections.synchronizedList

        Collections.synchronizedList的源码可知，其实现线程安全的方式是建立了list的包装类，代码如下：

[java]  view plain copy

1. public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {  
2. return (list instanceof RandomAccess ?  
3.                new SynchronizedRandomAccessList<T>(list) :  
4.                new SynchronizedList<T>(list));//根据不同的list类型最终实现不同的包装类。  
5.    }  

其中，SynchronizedList对部分操作加上了synchronized关键字以保证线程安全。但其iterator()操作还不是线程安全的。部分SynchronizedList的代码如下：

[java]  view plain copy

1. public E get(int index) {  
2.         synchronized(mutex) {return list.get(index);}  
3.         }  
4.     public E set(int index, E element) {  
5.         synchronized(mutex) {return list.set(index, element);}  
6.         }  
7.     public void add(int index, E element) {  
8.         synchronized(mutex) {list.add(index, element);}  
9.         }  
10.     public ListIterator<E> listIterator() {  
11.         return list.listIterator(); // Must be manually synched by user 需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException  
12.         }  
13.   
14.     public ListIterator<E> listIterator(int index) {  
15.         return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException</span>  
16.         }  

3.2 CopyOnWriteArrayList

        从字面可以知道，CopyOnWriteArrayList在线程对其进行些操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段。其写操作的代码如下：

[java]  view plain copy

1. /** The lock protecting all mutators */  
2.     transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
3.   
4.     /** The array, accessed only via getArray/setArray. */  
5.     private volatile transient Object[] array;//保证了线程的可见性  
6.       
7.      public boolean add(E e) {  
8.     final ReentrantLock lock = this.lock;//ReentrantLock 保证了线程的可见性和顺序性，即保证了多线程安全。  
9.     lock.lock();  
10.     try {  
11.         Object[] elements = getArray();  
12.         int len = elements.length;  
13.         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//在原先数组基础之上新建长度＋1的数组，并将原先数组当中的内容拷贝到新数组当中。  
14.         newElements[len] = e;//设值  
15.         setArray(newElements);//对新数组进行赋值  
16.         return true;  
17.     } finally {  
18.         lock.unlock();  
19.     }  
20.     }  

        其读操作代码如下：

[java]  view plain copy

1. public E get(int index) {  
2.        return (E)(getArray()[index]);  
3.    }  

        其没有加任何同步关键字，根据以上写操作的代码可知，其每次写操作都会进行一次数组复制操作，然后对新复制的数组进行些操作，不可能存在在同时又读写操作在同一个数组上（ 不是同一个对象），而读操作并没有对数组修改，不会产生线程安全问题。Java中两个不同的引用指向同一个对象，当第一个引用指向另外一个对象时，第二个引用还将保持原来的对象。
        其中setArray()操作仅仅是对array进行引用赋值。Java中“=”操作只是将引用和某个对象关联，假如同时有一个线程将引用指向另外一个对象，一个线程获取这个引用指向的对象，那么他们之间不会发生ConcurrentModificationException，他们是在虚拟机层面阻塞的，而且速度非常快，是一个原子操作，几乎不需要CPU时间。

        在列表有更新时直接将原有的列表复制一份，并再新的列表上进行更新操作，完成后再将引用移到新的列表上。旧列表如果仍在使用中(比如遍历)则继续有效。如此一来就不会出现修改了正在使用的对象的情况(读和写分别发生在两个对象上)，同时读操作也不必等待写操作的完成，免去了锁的使用加快了读取速度。

3.3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList在读写操作上的差距

        测试代码：

[java]  view plain copy

1. package com.yang.test;  
2.   
3. import org.junit.Test;  
4.   
5. import java.util.*;  
6. import java.util.concurrent.*;  
7.   
8. /** 
9.  * Created with IntelliJ IDEA. 
10.  * User: yangzl2008 
11.  * Date: 14-9-18 
12.  * Time: 下午8:36 
13.  * To change this template use File | Settings | File Templates. 
14.  */  
15. public class Test02 {  
16.   
17.     private int NUM = 10000;  
18.     private int THREAD_COUNT = 16;  
19.   
20.     @Test  
21.     public void testAdd() throws Exception {  
22.         List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();  
23.         List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());  
24.         Vector<Integer> v  = new Vector<Integer>();  
25.   
26.         CountDownLatch add_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);  
27.         ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);  
28.   
29.         int add_copyCostTime = 0;  
30.         int add_synchCostTime = 0;  
31.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
32.             add_copyCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list1, add_countDownLatch)).get();  
33.         }  
34.         System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + add_copyCostTime);  
35.   
36.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
37.             add_synchCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list2, add_countDownLatch)).get();  
38.         }  
39.         System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + add_synchCostTime);  
40.   
41.   
42.     }  
43.   
44.     @Test  
45.     public void testGet() throws Exception {  
46.         List<Integer> list = initList();  
47.   
48.         List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(list);  
49.         List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(list);  
50.   
51.         int get_copyCostTime = 0;  
52.         int get_synchCostTime = 0;  
53.         ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);  
54.         CountDownLatch get_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);  
55.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
56.             get_copyCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list1, get_countDownLatch)).get();  
57.         }  
58.         System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + get_copyCostTime);  
59.   
60.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
61.             get_synchCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list2, get_countDownLatch)).get();  
62.         }  
63.         System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + get_synchCostTime);  
64.   
65.     }  
66.   
67.   
68.     private List<Integer> initList() {  
69.         List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();  
70.         int num = new Random().nextInt(1000);  
71.         for (int i = 0; i < NUM; i++) {  
72.             list.add(num);  
73.         }  
74.         return list;  
75.     }  
76.   
77.     class AddTestTask implements Callable<Integer> {  
78.         List<Integer> list;  
79.         CountDownLatch countDownLatch;  
80.   
81.         AddTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {  
82.             this.list = list;  
83.             this.countDownLatch = countDownLatch;  
84.         }  
85.   
86.         @Override  
87.         public Integer call() throws Exception {  
88.             int num = new Random().nextInt(1000);  
89.             long start = System.currentTimeMillis();  
90.             for (int i = 0; i < NUM; i++) {  
91.                 list.add(num);  
92.             }  
93.             long end = System.currentTimeMillis();  
94.             countDownLatch.countDown();  
95.             return (int) (end - start);  
96.         }  
97.     }  
98.   
99.     class GetTestTask implements Callable<Integer> {  
100.         List<Integer> list;  
101.         CountDownLatch countDownLatch;  
102.   
103.         GetTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {  
104.             this.list = list;  
105.             this.countDownLatch = countDownLatch;  
106.         }  
107.   
108.         @Override  
109.         public Integer call() throws Exception {  
110.             int pos = new Random().nextInt(NUM);  
111.             long start = System.currentTimeMillis();  
112.             for (int i = 0; i < NUM; i++) {  
113.                 list.get(pos);  
114.             }  
115.             long end = System.currentTimeMillis();  
116.             countDownLatch.countDown();  
117.             return (int) (end - start);  
118.         }  
119.     }  
120. }  

操作结果：

	写操作		读操作
	CopyOnWriteArrayList	Collections. synchronizedList	CopyOnWriteArrayList	Collections. synchronizedList
2	567	2	1	1
4	3088	3	2	2
8	25975	28	2	3
16	295936	44	2	6
32	－	－	3	8
64	－	－	7	21
128	－	－	9	38

        写操作：在线程数目增加时CopyOnWriteArrayList的写操作性能下降非常严重，而Collections.synchronizedList虽然有性能的降低，但下降并不明显。

        读操作：在多线程进行读时，Collections.synchronizedList和CopyOnWriteArrayList均有性能的降低，但是Collections.synchronizedList的性能降低更加显著。

4 结论

        CopyOnWriteArrayList，发生修改时候做copy，新老版本分离，保证读的高性能，适用于以读为主，读操作远远大于写操作的场景中使用，比如缓存。而Collections.synchronizedList则可以用在CopyOnWriteArrayList不适用，但是有需要同步列表的地方， 读写操作都比较均匀的地方。