java并发数据结构之CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的List实现，其在对对象进行读操作时，由于对象没有发生改变，因此不需要加锁，反之在对象进行增删等修改操作时，它会先复制一个对象副本，然后对副本进行修改，最后将修改后的副本对象写回，从而保证操作的线程安全,下面我们看一下具体的代码实现。

###构造函数

通过CopyOnWriteArrayList链表的构造，可以看出主要是依赖ReentrantLock与数组实现线程安全的链表

/** The lock protecting all mutators */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
    private transient volatile Object[] array;

     /**
     * Creates an empty list.
     */
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }

写操作

add实现

add是一个标准的使用ReentrantLock加锁保证线程安全操作的实现

    /**
     * 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();//加锁
        try {
            Object[] elements = getArray();//获取自身数组对象
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//copy一个副本对象
            newElements[len] = e;//赋值
            setArray(newElements);//把对象写回去
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();//释放锁
        }
    }

    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();//获取自身数组对象
            int len = elements.length;
            if (index > len || index < 0)//判断是否越界
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                    ", Size: "+len);
            Object[] newElements;
            int numMoved = len - index;//计算需要移动的数组长度
            if (numMoved == 0)
                newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            else {
                newElements = new Object[len + 1];
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                                 numMoved);
            }
            newElements[index] = element;//赋值
            setArray(newElements);//把对象写回去
        } finally {
            lock.unlock();//释放锁
        }
    }

remove实现

在remove的实现中我们可以看到在实际执行操作之前，会对对象的线程安全进行再次检查，另外在执行定位下标操作时基于原有下标进行分段定位的优化，一定概率上会降低循环复杂度

public E remove(int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();//加锁
        try {
            Object[] elements = getArray();//获取自身数组对象
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(elements, index);//根据下标取值
            int numMoved = len - index - 1;//计算需要移动的数组长度
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                Object[] newElements = new Object[len - 1];//声明一个新数组
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                 numMoved);
                setArray(newElements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public boolean remove(Object o) {
        Object[] snapshot = getArray();
        int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);//遍历数组定位元素下标
        return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
    }

    /**
     * A version of remove(Object) using the strong hint that given
     * recent snapshot contains o at the given index.
     */
    private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();//加锁
        try {
            Object[] current = getArray();
            int len = current.length;
            //以下这段代码保证数据线程安全，再次对数组是否发生改变进行判断，如果发生改变进行分段轮询，提高效率
            if (snapshot != current) findIndex: {//这里判断数组是否已经被修改，如果有修改就重新定位下标
                int prefix = Math.min(index, len);//取最小值
                for (int i = 0; i < prefix; i++) {//提高效率先按最小循环次数遍历
                    if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {
                        index = i;
                        break findIndex;
                    }
                }
                if (index >= len)//下标超过当前数组长度返回false
                    return false;
                if (current[index] == o)//下标未改变，直接返回
                    break findIndex;
                index = indexOf(o, current, index, len);//遍历剩余部分
                if (index < 0)
                    return false;
            }
            Object[] newElements = new Object[len - 1];//创建一个长度len - 1的数组，执行复制操作
            System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(current, index + 1,
                             newElements, index,
                             len - index - 1);
            setArray(newElements);//覆盖原数组
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

读操作

读操作非常简单，无需加锁

/**
     * {@inheritDoc}
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }

通过对源码的分析，可以看到CopyOnWriteArrayList只在需要保证线程安全的写操作上加锁，核心思想就是减少锁竞争，从而提高并发时的读取性能，适用于写少读多的应用场景。

以上就是对CopyOnWriteArrayList内部核心源码的基本走读与解析，其线程安全的实现模式很有代表意义，十分值得初学者参考与学习，希望对大家能有所帮助，其中如有不足与不正确的地方还望指正与海涵，十分感谢。

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