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  • CopyOnWriteArrayList应用和原理

    CopyOnWriteArrayList出现背景

    在 CopyOnWriteArrayList 出现之前,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,为什么还要新建一个类呐,其实都是出于效率的考量。
    首先就让我们来看下线程安全的 Vector 的 size 和 get 方法的代码:

    public synchronized int size() {
        return elementCount;
    }
    public synchronized E get(int index) {
        if (index >= elementCount)
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
        return elementData(index);
    }
    

    可以看出,Vector 内部是使用 synchronized 来保证线程安全的,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。

    并且,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。

    简单使用演示

    我们知道 ArrayList 在迭代期间如果修改集合的内容,会抛ConcurrentModificationException 异常,但是CopyOnWriteArrayList可以在读期间修改,先演示使用

    public class CopyOnWriteArrayListDemo {
        static CountDownLatch count = new CountDownLatch(4);
        /**
         * 读线程
         */
        private static class ReadTask implements Runnable {
            List<String> list;
    
            public ReadTask(List<String> list) {
                this.list = list;
            }
    
            public void run() {
                for (String str : list) {
                    System.out.println("读取"+str);
                }
                count.countDown();
            }
        }
    
        /**
         * 写线程
         */
        private static class WriteTask implements Runnable {
            List<String> list;
            int index;
    
            public WriteTask(List<String> list, int index) {
                this.list = list;
                this.index = index;
            }
    
            public void run() {
                list.remove(index);
                list.add(index, "write_" + index);
                count.countDown();
            }
        }
    
        public void run() throws InterruptedException {
            final int NUM = 2;
            List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();//这里如果用普通的ArrayList这种会报错,可以试着运行下
            for (int i = 0; i < NUM; i++) {
                list.add("main_" + i);
            }
            ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(NUM);
            for (int i = 0; i < NUM; i++) {
                executorService.execute(new ReadTask(list));
                executorService.execute(new WriteTask(list, i));
            }
            executorService.shutdown();
            count.await();//这里让主线程等着read和write线程执行完再打印最后的集合状态
            for (String s : list) {
                System.out.println("最终修改后" + s);
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new CopyOnWriteArrayListDemo().run();
        }
    }
    

    执行结果如下:
    image

    使用场景

    1.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。
    2.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。

    读写的规则说明

    1.读写锁的规则
    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。
    2.CopyOnWriteArrayList 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。

    优缺点

    优点

    1.读读、读写可以同时进行,提升效率
    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。

    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。
    2.迭代期间允许修改集合内容
    我们知道 ArrayList 在迭代期间如果修改集合的内容,会抛出 ConcurrentModificationException 异常。让我们来分析一下 ArrayList 会抛出异常的原因。

    在 ArrayList 源码里的 ListItr 的 next 方法中有一个 checkForComodification 方法,代码如下:

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
    

    这里会首先检查 modCount 是否等于 expectedModCount。modCount 是保存修改次数,每次我们调用 add、remove 或 trimToSize 等方法时它会增加,expectedModCount 是迭代器的变量,当我们创建迭代器时会初始化并记录当时的 modCount。后面迭代期间如果发现 modCount 和 expectedModCount 不一致,就说明有人修改了集合的内容,就会抛出异常。

    和 ArrayList 不同的是,CopyOnWriteArrayList 的迭代器在迭代的时候,如果数组内容被修改了,CopyOnWriteArrayList 不会报 ConcurrentModificationException 的异常,因为迭代器使用的依然是旧数组,只不过迭代的内容可能已经过时了。演示代码:

    /**
    ​
    * 描述: 演示CopyOnWriteArrayList迭代期间可以修改集合的内容
      */
      public class CopyOnWriteArrayListDemo {
    ​
        public static void main(String[] args) {
    ​
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>(new Integer[]{1, 2, 3});
    ​
        System.out.println(list); //[1, 2, 3]
    ​
        //Get iterator 1
        Iterator<Integer> itr1 = list.iterator();
    ​
        //Add one element and verify list is updated
        list.add(4);
    ​
        System.out.println(list); //[1, 2, 3, 4]
    ​
        //Get iterator 2
        Iterator<Integer> itr2 = list.iterator();
    ​
        System.out.println("====Verify Iterator 1 content====");
    ​
        itr1.forEachRemaining(System.out::println); //1,2,3
    ​
        System.out.println("====Verify Iterator 2 content====");
    ​
        itr2.forEachRemaining(System.out::println); //1,2,3,4
    ​
        }
    ​
    }
    

    这段代码会首先创建一个 CopyOnWriteArrayList,并且初始值被赋为 [1, 2, 3],此时打印出来的结果很明显就是 [1, 2, 3]。然后我们创建一个叫作 itr1 的迭代器,创建之后再添加一个新的元素,利用 list.add() 方法把元素 4 添加进去,此时我们打印出 List 自然是 [1, 2, 3, 4]。我们再创建一个叫作 itr2 的迭代器,在下方把两个迭代器迭代产生的内容打印出来,这段代码的运行结果是:

    [1, 2, 3]
    [1, 2, 3, 4]
    ====Verify Iterator 1 content====
    1
    2
    3
    ====Verify Iterator 2 content====
    1
    2
    3
    4
    

    可以看出,这两个迭代器打印出来的内容是不一样的。第一个迭代器打印出来的是 [1, 2, 3],而第二个打印出来的是 [1, 2, 3, 4]。虽然它们的打印时机都发生在第四个元素被添加之后,但它们的创建时机是不同的。由于迭代器 1 被创建时的 List 里面只有三个元素,后续无论 List 有什么修改,对它来说都是无感知的。

    以上这个结果说明了,CopyOnWriteArrayList 的迭代器一旦被建立之后,如果往之前的 CopyOnWriteArrayList 对象中去新增元素,在迭代器中既不会显示出元素的变更情况,同时也不会报错,这一点和 ArrayList 是有很大区别的。

    缺点

    1.内存占用问题
    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,这一点会占用额外的内存空间。

    在元素较多或者复杂的情况下,复制的开销很大

    复制过程不仅会占用双倍内存,还需要消耗 CPU 等资源,会降低整体性能。
    2.数据一致性问题
    由于 CopyOnWrite 容器的修改是先修改副本,所以这次修改对于其他线程来说,并不是实时能看到的,只有在修改完之后才能体现出来。如果你希望写入的的数据马上能被其他线程看到,CopyOnWrite 容器是不适用的。

    源码分析

    CopyOnWrite(写入时复制)思想

    CopyOnWrite(简称COW,中文意思是:写入时复制)就是在进行写操作时,先复制要改变的对象,对副本进行写操作,完成对副本的操作后,把原有对象的引用指向副本对象。原理:CopyOnWrite采用了读写分离的思想解决了线程安全且支持读多写少等问题
    image

    CopyOnWriteArrayList的实现原理

    /** The lock protecting all mutators */
        final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
        private transient volatile Object[] array;
    /**
         * 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();
            }
        }
    

    volatile (挥发物、易变的):变量修饰符,只能用来修饰变量。volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时,都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且,当成员变量发生变 化时,强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻,两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

    transient 只能用来修饰字段。在对象序列化的过程中,标记为transient的变量不会被序列化。

    流程总结:
    在添加的时候首先上锁,并复制一个新数组,增加操作在新数组上完成,然后将 array 指向到新数组,最后解锁。
    上面的步骤实现了 CopyOnWrite 的思想:写操作是在原来容器的拷贝上进行的,并且在读取数据的时候不会锁住 list。而且可以看到,如果对容器拷贝操作的过程中有新的读线程进来,那么读到的还是旧的数据,因为在那个时候对象的引用还没有被更改。

    迭代器 COWIterator 类

    这个迭代器有两个重要的属性,分别是 Object[] snapshot 和 int cursor。其中 snapshot 代表数组的快照,也就是创建迭代器那个时刻的数组情况,而 cursor 则是迭代器的游标。迭代器的构造方法如下:

    private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
        cursor = initialCursor;
        snapshot = elements;
    }
    

    可以看出,迭代器在被构建的时候,会把当时的 elements 赋值给 snapshot,而之后的迭代器所有的操作都基于 snapshot 数组进行的,比如:

    public E next() {
        if (! hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[cursor++];
    }
    

    在 next 方法中可以看到,返回的内容是 snapshot 对象,所以,后续就算原数组被修改,这个 snapshot 既不会感知到,也不会受影响,执行迭代操作不需要加锁,也不会因此抛出异常。迭代器返回的结果,和创建迭代器的时候的内容一致。

    艾欧尼亚,昂扬不灭,为了更美好的明天而战(#^.^#)
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