Java 集合框架（二）：CopyOnWriteArrayList

上一章节我们说过，Vector 是同步容器，我们编码时的非原子操作仍然不能保证线程安全。这一节我们就介绍一个线程安全的同步容器。

写入时复制（CopyOnWrite）思想

写入时复制，CopyOnWrite 简称 COW 思想时计算机程序设计领域中的一种优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者同时要求相同的资源（如内存或者是磁盘上的数据），他们会获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者视图修改资源内容时，系统才会真正复制一份专用副本 给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然不变。

此做法的主要有点是如果调用者没有修改资源，就不会有副本被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

概要

1. CopyOnWriteArrayList 是线程安全容器，底层通过复制数组的方式来实现。
2. CopyOnWriteArrayList 在遍历的时候不会抛出 ConcrrentModificationException，并且遍历的时候不用加锁。
3. 元素可以为 null。

成员变量

/** 可重入锁对象 */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

/** CopyOnWriteArrayList底层由数组实现，volatile修饰 */
private transient volatile Object[] array;

/**
     * 得到数组
     */
final Object[] getArray() {
    return array;
}

/**
     * 设置数组
     */
final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

/**
     * 初始化CopyOnWriteArrayList相当于初始化数组
     */
public CopyOnWriteArrayList() {
    setArray(new Object[0]);
}

CopyOnWriteArrayList 的底层实现就是数组加 ReentrantLock。

add 方法

public boolean add(E e) {

    // 加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {

        // 得到原数组的长度和元素
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;

        // 复制出一个新数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

        // 添加时，将新元素添加到新数组中
        newElements[len] = e;

        // 将volatile Object[] array 的指向替换成新数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

添加元素时加上 lock 锁，并复制一个新数组，增加操作在新数组上完成，然后将 array 指向新数组，最后解锁。

get 方法

直接读取数组。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

final Object[] getArray() {
    return array;
}

set 方法与 add 类似，这里就不贴出代码了。

总结：

在修改时，复制出一个新的数组，修改的操作在新的数组中完成，最后将 array 指向新的数组。

写加锁，读不加锁。

遍历时为什么不用加锁

我们来看看在容器遍历时对其修改为什么不会抛出异常。

// 1. 返回的迭代器是COWIterator
public Iterator<E> iterator() {
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}


// 2. 迭代器的成员属性
private final Object[] snapshot;
private int cursor;

// 3. 迭代器的构造方法
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
    cursor = initialCursor;
    snapshot = elements;
}

// 4. 迭代器的方法...
public E next() {
    if (! hasNext())
        throw new NoSuchElementException();
    return (E) snapshot[cursor++];
}

//.... 可以发现的是，迭代器所有的操作都基于snapshot数组，而snapshot是传递进来的array数组

缺点

• 内存占用：如果 CopyOnWriteArrayList 经常要增删改里面的数组，经常执行 add(),set(),remove() 方法的话，是比较耗内存的，因为这几个操作都需要复制出一个数组。
• 数据一致性：CopyOnWriteArrayList 容器只能保证最终一致性，不能保证数据的实时一致性。比如 A 线程在迭代，而此时 B 线程将部分数据修改了，但是 A 迭代的仍然是原有的数据。