java多线程-Java中的Copy-On-Write容器

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，
这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

什么是CopyOnWrite容器?

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。简单来讲是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，
添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对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。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的实现原理

在使用CopyOnWriteArrayList之前，先来阅读以下CopyOnWriteArrayList的源码。我们发现在向CopyOnWriteArrayList中添加元素的时候使用ReentrantLock加了锁，否则多线程写的时候回copy出多个副本。

add方法

 
public boolean add(E e) {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
	    Object[] elements = getArray();
	    int len = elements.length;
            //复制一个新数组
	    Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            //把容器中新元素指向新数组
	    newElements[len] = e;
            //把新元素添加到新数组
	    setArray(newElements);
	    return true;
	} finally {
	    lock.unlock();
	}
    }
 

set方法

    
public E set(int index, E element) {
        //获得锁
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
	    Object[] elements = getArray();
	    Object oldValue = elements[index];

	    if (oldValue != element) {
		int len = elements.length;
		Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
		newElements[index] = element;
		setArray(newElements);
	    } else {
		// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
		setArray(elements);
	    }
	    return (E)oldValue;
	} finally {
	    lock.unlock();
	}
    } 

读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

get方法

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

jdk中没有提供CopyOnWriteHashMap,通过阅读CopyOnWriteArrayList源码自己实现一个简单的CopyOnWriteHashMap,使用Synchronized锁实现
CopyOnWriteHashMap实现

package com.cary.base.copyonwrite;

import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CopyOnWriteHashMap implements Map, Cloneable {
	private volatile Map internalMap;

	public CopyOnWriteHashMap() {
		internalMap = new HashMap();
	}

	public int size() {
		return internalMap.size();
	}

	public boolean isEmpty() {
		return internalMap.isEmpty();
	}

	public boolean containsKey(Object key) {
		return internalMap.containsKey(key);
	}

	public boolean containsValue(Object value) {
		return internalMap.containsValue(value);
	}

	public V get(Object key) {
		return internalMap.get(key);
	}

	public V put(K key, V value) {
		synchronized (this) {
			Map newMap = new HashMap(internalMap);
			V val = newMap.put(key, value);
			internalMap = newMap;
			return val;
		}

	}

	public V remove(Object key) {
		synchronized (this) {
			Map newMap = new HashMap(internalMap);
			V val = newMap.remove(key);
			internalMap = newMap;
			return val;
		}
	}

	public void putAll(Map m) {
		synchronized (this) {
			Map newMap = new HashMap(internalMap);
			newMap.putAll(m);
			internalMap = newMap;
		}

	}

	public void clear() {
		synchronized (this) {
			Map newMap = new HashMap(internalMap);
			newMap.clear();
			internalMap = newMap;
		}
	}

	public Set keySet() {
		return internalMap.keySet();
	}

	public Collection values() {
		return internalMap.values();
	}

	public Set> entrySet() {
		return internalMap.entrySet();
	}
}

CopyOnWrite的应用场景

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品搜索的访问和更新场景，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当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。
实现代码如下：

  private static CopyOnWriteHashMap blackListMap = new CopyOnWriteHashMap(2000);

	/**
	 * 是否黑名单
	 * 
	 * @param id
	 * @return
	 */
	public static boolean isBlackList(String id) {
		return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
	}

	/**
	 * 添加白名单
	 * 
	 * @param id
	 */
	public static void addBlackList(String id) {
		blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
	}

	/**
	 * 批量添加黑名单
	 * 
	 * @param ids
	 */
	public static void addBlackList(Map ids) {
		blackListMap.putAll(ids);
	}    
           

代码很简单，但是使用CopyOnWriteHashMap需要注意两件事情：
1.减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteHashMap的大小，避免写时CopyOnWriteHashMap扩容的开销。
2.使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。
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，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）。
如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。
之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。