Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析
1. 简介
在 ArrayList 的类注释上,JDK 就提醒了我们,如果要把 ArrayList 作为共享变量的话,是线程不安全的,推荐我们自己加锁或者使用 Collections.synchronizedList 方法,其实 JDK 还提供了另外一种线程安全的 List,叫做 CopyOnWriteArrayList
2. 原理
很多时候,我们的系统应对的都是读多写少的并发场景。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读,读操作是无锁的,性能较高。至于写操作,比如向容器中添加一个元素,则首先将当前容器复制一份,然后在新副本上执行写操作,结束之后再将原容器的引用指向新容器。
- 线程安全的,多线程环境下可以直接使用,无需加锁;
- 通过锁 + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了线程安全;
- 每次数组操作,都会把数组拷贝一份出来,在新数组上进行操作,操作成功之后再赋值回去。
从整体架构上来说,CopyOnWriteArrayList 数据结构和 ArrayList 是一致的,底层是个数组,只不过 CopyOnWriteArrayList 在对数组进行操作的时候,基本会分四步走:
- 加锁;
- 从原数组中拷贝出新数组;
- 在新数组上进行操作,并把新数组赋值给数组容器;
- 解锁
除了加锁之外,CopyOnWriteArrayList 的底层数组还被 volatile 关键字修饰,意思是一旦数组被修改,其它线程立马能够感知到,代码如下:
private transient volatile Object[] array;
整体上来说,CopyOnWriteArrayList 就是利用锁 + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了 List 的线程安全。
3. 优点
读操作(不加锁)性能很高,因为无需任何同步措施,比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时,若中途有别的线程对list容器进行修改,则会抛ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想,遍历和修改操作分别作用在不同的list容器,所以在使用迭代器进行遍历时候,也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了。
4. 缺点
一是内存占用问题,毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份。数据量大时,对内存压力较大,可能会引起频繁GC;
二是无法保证实时性,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)。
5. 源码分析
5.1 添加操作
public boolean add(E e) { //ReentrantLock加锁,保证线程安全 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; //拷贝原容器,长度为原容器长度加一 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //在新副本上执行添加操作 newElements[len] = e; //将原容器引用指向新副本 setArray(newElements); return true; } finally { //解锁 lock.unlock(); } }
添加的逻辑很简单,先将原容器copy一份,然后在新副本上执行写操作,之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。
5.2 删除操作
public E remove(int index) { //加锁 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) //如果要删除的是列表末端数据,拷贝前len-1个数据到新副本上,再切换引用 setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); else { //否则,将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中,并切换引用 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 { //解锁 lock.unlock(); } }
删除操作同理,将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中,然后切换引用,将原容器引用指向新副本。同属写操作,需要加锁。
我们再来看看读操作,CopyOnWriteArrayList的读操作是不用加锁的,性能很高。
public E get(int index) { return get(getArray(), index); }
直接读取即可,无需加锁
private E get(Object[] a, int index) { return (E) a[index]; }
5.3 弱一致性的迭代器
所谓弱一致性是指返回迭代器后,其他线程对list的增删改查对迭代器是不可见的
// 演示多线程下迭代器的弱一致性结果 public class copylist { private static volatile CopyOnWriteArrayList<String> arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { arrayList.add("hello"); arrayList.add("alibaba"); arrayList.add("welcome"); arrayList.add("to"); arrayList.add("hangzhou"); Thread threadOne = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { // 修改list中下标为1的元素为ali arrayList.set(1, "ali"); // 删除元素 arrayList.remove(2); arrayList.remove(3); } }); // 保证在修改线程启动前获取迭代器 Iterator<String> itr = arrayList.iterator(); // 启动线程 threadOne.start(); // 等待子线程执行完毕 threadOne.join(); while(itr.hasNext()) { System.out.println(itr.next()); } } }
执行程序:
hello
alibaba
welcome
to
hangzhou
Process finished with exit code 0
从输出结果我们知道,在子线程里面进行的操作一个都没有生效,这就是迭代器弱一致性的体现。需要注意的是,获取迭代器的操作必须在子线程操作之前进行。
6. ArrayList转为线程安全的方法
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
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