JUC源码分析-集合篇（四）CopyOnWriteArrayList

JUC源码分析-集合篇（四）CopyOnWriteArrayList

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：

• CopyOnWriteArrayList ArrayList 线程安全的实现
• CopyOnWriteArraySetSet 线程安全的实现

1. CopyOnWrite 容器

1.1 什么是 CopyOnWrite 容器

CopyOnWrite 容器即写时复制的容器。通俗的理解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。

1.2 CopyOnWrite 应用场景

CopyOnWrite 并发容器用于读多写少的并发场景。使用 CopyOnWriteMap 需要注意两件事情：

1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化 CopyOnWriteMap 的大小，避免写时 CopyOnWriteMap 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。

1.3 CopyOnWrite 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。

1. 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。

针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是 10 进制的数字，可以考虑把它压缩成 36 进制或 64 进制。或者不使用 CopyOnWrite 容器，而使用其他的并发容器，如 ConcurrentHashMap。

1. 数据一致性问题。CopyOnWrite 容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用 CopyOnWrite 容器。

2. CopyOnWriteArrayList 实现原理

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("a");
list.add("b");
list.get(0);

在使用 CopyOnWriteArrayList 之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向 ArrayList 里添加元素，可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会 Copy 出 N 个副本出来。

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } 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。

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

实现很简单，只要了解了 CopyOnWrite 机制，我们可以实现各种 CopyOnWrite 容器，并且在不同的应用场景中使用。

3. CopyOnWriteArraySet 实现原理

CopyOnWriteArraySet 底层全部使用 CopyOnWriteArrayList 实现。

public CopyOnWriteArraySet() { al = new CopyOnWriteArrayList<E>(); }

// 增删改查都是调用 CopyOnWriteArrayList 的方法
public boolean add(E e) { return al.addIfAbsent(e); }
public boolean remove(Object o) { return al.remove(o); }
public boolean contains(Object o) { return al.contains(o); }

以 addIfAbsent 为例

public boolean addIfAbsent(E e) {
    Object[] snapshot = getArray();
    // indexOf 查找指定元素e在snapshot数组中的索引位置
    return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
        addIfAbsent(e, snapshot);
}

private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] current = getArray();
        int len = current.length;
        if (snapshot != current) {
            // Optimize for lost race to another addXXX operation
            int common = Math.min(snapshot.length, len);
            for (int i = 0; i < common; i++)
                if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
                    return false;
            if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
                    return false;
        }
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

参考：

1. 聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器

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