Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析

 更新时间:2023年12月19日 08:32:33   作者:GeGe&YoYo  
这篇文章主要介绍了Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析,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,需要的朋友可以参考下

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。

在这里插入图片描述

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());

到此这篇关于Java中的CopyOnWriteArrayList容器解析的文章就介绍到这了,更多相关CopyOnWriteArrayList解析内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

相关文章

  • 解决JPA @OneToMany及懒加载无效的问题

    解决JPA @OneToMany及懒加载无效的问题

    这篇文章主要介绍了解决JPA @OneToMany及懒加载无效的问题,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助。如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教
    2021-10-10
  • 浅析java异常栈

    浅析java异常栈

    给大家通过一个简单的代码实例给大家分型了java异常栈问题,需要的朋友参考一下吧。
    2017-12-12
  • Java中利用POI优雅的导出Excel文件详解

    Java中利用POI优雅的导出Excel文件详解

    这篇文章主要给大家介绍了关于Java中如何利用POI优雅的导出Excel文件的相关资料,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家学习或者使用Java具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面来一起学习学习吧
    2020-05-05
  • Java 超详细讲解数据结构中的堆的应用

    Java 超详细讲解数据结构中的堆的应用

    堆首先是一个完全二叉树,堆分为小根堆和大根堆。小根堆,所有结点的左右子节点都不小于根节点;大根堆,所有结点的左右子节点都不大于根节点。优先级队列(priorityQueue)底层就是一个小根堆
    2022-04-04
  • Java并发编程之常用的多线程实现方式分析

    Java并发编程之常用的多线程实现方式分析

    这篇文章主要介绍了Java并发编程之常用的多线程实现方式,结合实例形式分析了java并发编程中多线程的相关原理、实现方法与操作注意事项,需要的朋友可以参考下
    2020-02-02
  • 解决创建springboot后启动报错:Failed to bind properties under‘spring.datasource‘

    解决创建springboot后启动报错:Failed to bind properties under‘spri

    在Spring Boot项目中,application.properties和application.yml是用于配置参数的两种文件格式,properties格式简洁但不支持层次结构,而yml格式支持层次性,可读性更好,在yml文件中,要注意细节,比如冒号后面需要空格
    2024-10-10
  • 基于SPRINGBOOT配置文件占位符过程解析

    基于SPRINGBOOT配置文件占位符过程解析

    这篇文章主要介绍了基于SPRINGBOOT配置文件占位符过程解析,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友可以参考下
    2019-12-12
  • 出现java.lang.UnsupportedClassVersionError错误的原因以及解决方法

    出现java.lang.UnsupportedClassVersionError错误的原因以及解决方法

    这篇文章主要给大家介绍了关于出现java.lang.UnsupportedClassVersionError错误的原因以及解决方法,文中通过图文以及代码示例将这个错误介绍的非常详细,需要的朋友可以参考下
    2024-05-05
  • java ant 配置及构建项目图文教程

    java ant 配置及构建项目图文教程

    以下是对java ant配置及构建项目进行了详细的分析介绍,需要的朋友可以过来参考下
    2013-08-08
  • Java String index out of range:100错误解决方案详解

    Java String index out of range:100错误解决方案详解

    这篇文章主要介绍了Java String index out of range:100错误解决方案详解,本篇文章通过简要的案例,讲解了该项技术的了解与使用,以下就是详细内容,需要的朋友可以参考下
    2021-08-08

最新评论