深入浅出 Java Concurrency (27): 并发容器 part 12 线程安全的List/Set[转]

本小节是《并发容器》的最后一部分，这一个小节描述的是针对List/Set接口的一个线程版本。

在《并发队列与Queue简介》中介绍了并发容器的一个概括，主要描述的是Queue的实现。其中特别提到一点LinkedList是List/Queue的实现，但是LinkedList确实非线程安全的。不管BlockingQueue还是ConcurrentMap的实现，我们发现都是针对链表的实现，当然尽可能的使用CAS或者Lock的特性，同时都有通过锁部分容器来提供并发的特性。而对于List或者Set而言，增、删操作其实都是针对整个容器，因此每次操作都不可避免的需要锁定整个容器空间，性能肯定会大打折扣。要实现一个线程安全的List/Set，只需要在修改操作的时候进行同步即可，比如使用java.util.Collections.synchronizedList(List<T>)或者java.util.Collections.synchronizedSet(Set<T>)。当然也可以使用Lock来实现线程安全的List/Set。

通常情况下我们的高并发都发生在“多读少写”的情况，因此如果能够实现一种更优秀的算法这对生产环境还是很有好处的。ReadWriteLock当然是一种实现。CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet确实另外一种思路。

CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet的基本思想是一旦对容器有修改，那么就“复制”一份新的集合，在新的集合上修改，然后将新集合复制给旧的引用。当然了这部分少不了要加锁。显然对于CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet来说最大的好处就是“读”操作不需要锁了。

我们来看看源码。

/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private volatile transient Object[] array;
public E get(int index) {
    return (E)(getArray()[index]);
}
private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
                           int index, int fence) {
    if (o == null) {
        for (int i = index; i < fence; i++)
            if (elements[i] == null)
                return i;
    } else {
        for (int i = index; i < fence; i++)
            if (o.equals(elements[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}
public Iterator<E> iterator() {
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
    public void clear() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        setArray(new Object[0]);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    }

对于上述代码，有几点说明：

1. List仍然是基于数组的实现，因为只有数组是最快的。
2. 为了保证无锁的读操作能够看到写操作的变化，因此数组array是volatile类型的。
3. get/indexOf/iterator等操作都是无锁的，同时也可以看到所操作的都是某一时刻array的镜像（这得益于数组是不可变化的）
4. add/set/remove/clear等元素变化的都是需要加锁的，这里使用的是ReentrantLock。

这里有一段有意思的代码片段。

    public E set(int index, E element) {
    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();
    }
    }

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

对于set操作，如果元素有变化，修改后setArray(newElements);将新数组赋值还好理解。那么如果一个元素没有变化，也就是上述代码的else部分，为什么还需要进行一个无谓的setArray操作？毕竟setArray操作没有改变任何数据。

对于这个问题也是很有意思，有一封邮件讨论了此问题（1、2、3）。
大致的意思是，尽管没有改变任何数据，但是为了保持“volatile”的语义，任何一个读操作都应该是一个写操作的结果，也就是读操作看到的数据一定是某个写操作的结果（尽管写操作没有改变数据本身）。所以这里即使不设置也没有问题，仅仅是为了一个语义上的补充（个人理解）。

这里还有一个有意思的讨论，说什么addIfAbsent在元素没有变化的时候为什么没有setArray操作？这个要看怎么理解addIfAbsent的语义了。如果说addIfAbsent语义是”写“或者”不写“操作，而把”不写“操作当作一次”读“操作的话，那么”读“操作就不需要保持volatile语义了。

对于CopyOnWriteArraySet而言就简单多了，只是持有一个CopyOnWriteArrayList，仅仅在add/addAll的时候检测元素是否存在，如果存在就不加入集合中。

private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
/**
* Creates an empty set.
*/
public CopyOnWriteArraySet() {
    al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
}

public boolean add(E e) {
    return al.addIfAbsent(e);
}

在使用上CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet就简单多了，和List/Set基本相同，这里就不再介绍了。

整个并发容器结束了，接下来好好规划下线程池部分，然后进入最后一部分的梳理。