前言

JUC 下面还有一个系列的类,都是 CopyOnWriteXXX ,意思是写时复制,这个究竟是怎么回事?那就以 CopyOnWriteArrayList 为切入点,一起了解写时复制是怎么回事?

公众号:liuzhihangs,记录工作学习中的技术、开发及源码笔记;时不时分享一些生活中的见闻感悟。欢迎大佬来指导!

介绍

ArrayList 的一个线程安全的变体,其中所有可变操作(add、set 等等)都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的。

像名字一样,每次进行操作的时候,都会进行一次复制,当然会有很大的性能消耗,但是在某些使用场景下,又会提高性能。具体是怎么操作的,那就一步一步阅读源码,然后再做总结归纳。

基本使用

public class CopyOnWriteArrayListTest {

    public static void main(String[] args) {

        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 添加元素
list.add("liuzhihang"); // 移除元素
list.remove("liuzhihang"); // 查看元素
String value0 = list.get(0); // 遍历
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String next = iterator.next();
} }
}

问题疑问

  1. 为什么要叫写时复制集合?
  2. CopyOnWriteArrayList 实现原理是什么?
  3. CopyOnWriteArrayList 和 ArrayList 有什么区别?
  4. CopyOnWriteArrayList 复制是怎么进行复制的?

源码分析

基本结构

参数介绍

public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L; /** 数据有变动时使用 */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); /** 数组 只能通过 getArray/setArray 访问 */
private transient volatile Object[] array; final Object[] getArray() {
return array;
}
// 将数组指向传入的新数组
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
}

通过参数可以了解到以下内容:

  1. 基于数组实现;
  2. 使用了 ReentrantLock 互斥锁。

构造函数

public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}

在初始化 CopyOnWriteArrayList 时,就是创建了一个 Object 的数组。

add

public boolean add(E e) {
// 加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 获取当前数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 创建一个新数组,并将原数组数据复制到新数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 添加的新元素到数组尾部
newElements[len] = e;
// 将数组指向新数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}

add 方法逻辑很简单:

  1. 通过加互斥锁(ReentrantLock)从而保证在写的时候只有一个线程可以写。
  2. 新增元素时,先使用 Arrays.copyOf(elements, len + 1) 复制出一个长度 +1 的新数组。
  3. 添加元素到新数组。
  4. 然后再将原数组对象指向新数组。

画图如下:

remove

public E remove(int index) {
// 加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 原数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 移除的值
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
// 如果移除最后一个元素
// 直接复制前面的元素即可
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
// 移除中间的元素,进行两次复制
Object[] newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}

remove 方法相对多了一些判断:

  1. 通过加互斥锁(ReentrantLock)从而保证在写的时候只有一个线程可以移除元素。
  2. 如果移除的是最后一个元素,则直接复制前面的元素到新数组,并指向新数组即可。
  3. 如果移除的是中间的元素,则需要进行两次复制,然后指向新数组。

画图如下:

get

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

get 方法可以看出:

  1. 获取元素并没有进行加锁。
  2. 从原数组获取的元素。

所以并发情况下,并不能保证很及时的读取的刚插入或者移除的元素。

数组复制

通过阅读 add 和 remove 相关代码,可以看到在数组复制时使用了 Arrays.copyOfSystem.arraycopy,这相当于一个优化方面吧。

毕竟数组复制总不能把原数组遍历一遍,挨着赋值到新数组里面吧。

那接下来看一下内部是如何实现的:

public class Arrays {

    // 其他方法省略 ...

    /**
* original 要复制的数组
* newLength 新数组的长度
*/
public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
} /**
* original 要复制的数组
* newLength 新数组的长度
*/
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
// 创建一个新数组,长度是指定的长度
@SuppressWarnings("unchecked")
T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
// 创建具有指定的组件类型和长度的新数组
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength); // 调用 System.arraycopy 复制数组
System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
}

通过阅读 Arrays.copyOf 相关源码,发现其实 Arrays.copyOf 底层也是调用的 System.arraycopy

public final class System {

    // 其他方法省略 ...

    /**
* src 源数组
* srcPos 源数组起始位置
* dest 目标数组
* destPos 目标数组的起始位置
* length 要复制的元素数量
*/
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
}

可以看到 System.arraycopy 是一个 native 方法,这个是 JVM 内部实现的,具体可以阅读相关资料。而使用这种方式要比 for 循环和 clone 要高效很多。

总结

Q&A

Q: 为什么要叫写时复制集合?

A: 因为在 add、remove 操作时会复制出来一个新数组。

Q: CopyOnWriteArrayList 实现原理是什么?

A: 在 add、remove 操作时会进行加锁,然后复制出来一个新数组,操作的都是新数组,而此时原数组是可以提供查询的。当操作结束之后,会将对象指针指向新数组。

Q: CopyOnWriteArrayList 和 ArrayList 有什么区别?

A: CopyOnWriteArrayList 在读多写少的场景下可以提高效率,而 ArrayList 只是普通数组集合,并不适用于并发场景,而如果对 ArrayList 加锁,则会影响一部分性能。

同样对 CopyOnWriteArrayList 而言,仅能保证最终一致性。因为刚写入的数据,是写到的复制的数组中,此时并不能立即查询到。如果要保证实时性可以尝试使用 Collections.synchronizedList 或者加锁等方式。

Q: CopyOnWriteArrayList 复制是怎么进行复制的?

A: 内部使用的是本地方法 System.arraycopy 进行数组的复制。

结束语

通过阅读 CopyOnWriteArrayList 源码,了解到写时复制是的原理。同时了解到可以使用 System.arraycopy 的方式提高数组复制的效率。

同样 CopyOnWriteArrayList 适合读多写少的场景,满足最终一致性,但是并不能保证数据修改及时查询到。

写时复制集合 —— CopyOnWriteArrayList的更多相关文章

  1. JAVA中写时复制(Copy-On-Write)Map实现

    1,什么是写时复制(Copy-On-Write)容器? 写时复制是指:在并发访问的情景下,当需要修改JAVA中Containers的元素时,不直接修改该容器,而是先复制一份副本,在副本上进行修改.修改 ...

  2. Java进阶知识点6:并发容器背后的设计理念 - 锁分段、写时复制和弱一致性

    一.背景 容器是Java编程中使用频率很高的组件,但Java默认提供的基本容器(ArrayList,HashMap等)均不是线程安全的.当容器和多线程并发编程相遇时,程序员又该何去何从呢? 通常有两种 ...

  3. php 内核变量 引用计数器写时复制

    写时复制,是一个解决内存复用的方法,就是你在php语言层,如$d=$c=$b=$a='value';把$a赋给另一个或多个变量,这时这个变量都只占用一个内存块,当其中一个变量值改变时,才会开辟另一个内 ...

  4. 线程不安全(Arraylist,HashSet,HashMap)和写时复制

    package com.yangyuanyuan.juc1205; import java.util.List; import java.util.Map; import java.util.Set; ...

  5. phpCOW机制(写时复制)

    写时复制(Copy-on-Write,也缩写为COW),顾名思义,就是在写入时才真正复制一份内存进行修改. COW最早应用在*nix系统中对线程与内存使用的优化,后面广泛的被使用在各种编程语言中,如C ...

  6. php变量 写时改变 写时复制

    写时复制 $var = 1; $var2 = $var; #此时$var2 与 $var 指向同一个zval refcount = 2: $var = 2; # 此时$val 改变 所以 $var 与 ...

  7. PHP写时复制, 变量复制和对象复制不同!!!

    2016年3月18日 15:09:28 星期五 一直以为PHP对象也是写时复制....... 其实: PHP的变量是写时复制, 对象是引用的 写时复制: $a = $b; 如果$b的内容不改变, $a ...

  8. php 垃圾回收机制----写时复制和引用计数

    PHP使用引用计数和写时复制来管理内存.写时复制保证了变量间复制值不浪费内存,引用计数保证了当变量不再需要时,将内存释放给操作系统. 要理解PHP内存管理,首先要理解一个概念----符号表. 符号表的 ...

  9. fork()和写时复制

    写时复制技术最初产生于Unix系统,用于实现一种傻瓜式的进程创建:当发出fork(  )系统调用时,内核原样复制父进程的整个地址空间并把复制的那一份分配给子进程.这种行为是非常耗时的,因为它需要: · ...

随机推荐

  1. 对offsetof、 container_of宏和结构体的理解

    offsetof 宏 #include<stdio.h> #define offsetoff(type, member)      ((int)&((type*)0)->me ...

  2. 手把手教你AspNetCore WebApi:入门

    需求 前几天,马老板给小明和小红一个"待办事项"网站,小明负责后端,小红负责前端,并要求网站可以同时在 Windows.和 Linux 上运行. 小明整理了一下"待办事项 ...

  3. Java 获取屏幕的宽度和高度

    获取屏幕的宽度和高度 1 import java.awt.Dimension; 2 import java.awt.Toolkit; 3 4 public class Main { 5 6 publi ...

  4. Tensorflow学习笔记No.0

    这里更新一些学习Tensorflow过程中可能用到的实用工具. Jupyter Notebook Jupyter Notebook 是一个非常方便的python编程工具,支持可视化,对于学习pytho ...

  5. 详解Class加载过程

    1.Class文件内容格式 2.一个class文件是被加载到内存的过程是怎样的? loading 把一个class文件装到内存里,class文件是一个二进制,一个个的字节 linking Verifi ...

  6. 极简 Node.js 入门 - 4.5 双工流

    极简 Node.js 入门系列教程:https://www.yuque.com/sunluyong/node 本文更佳阅读体验:https://www.yuque.com/sunluyong/node ...

  7. org.apache.ibatis.ognl.OgnlException: source is null for getProperty(null, "enterpCd")-Mybatis报错

    一.问题由来 下午快要下班时,登录测试服务器查看日志信息,看看有没有新的异常信息,如果有的话好及时修改.结果一看果然有新的异常信息. 主要的异常信息如下: 2020-10-13 14:51:03,03 ...

  8. 利用Python求解二元一次方程

    本程序流程如下: (1)输入A.B.C (2)计算△ (3)判断解的个数 (4)计算解 (5)输出解 求:x2-3x+2=0的解 #输入A.B.C A=float(input("输入A:&q ...

  9. 多测师讲解接口测试 _报错_高级讲师肖sir

  10. 多层级makefile

    多层级makefile 当项目变大之后,需要多层级的makefile来编译,每个makefile的具体功能实现参考单源文件目录makefile.然后再在顶层目录写一个总的makefile来实现编译逻辑 ...