Java中的Copy-On-Write容器

忘是亡心i 2022-06-11 02:37 156阅读 0赞

### 聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器 ###

![cow-copy-300x222.jpg][]

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。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。

#### CopyOnWriteArrayList的实现原理 ####

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。

[view source][]

[print][] [?][Link 1]

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>01</code></td> 
   <td><code>public</code> <code> boolean</code> <code>add(T e) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>02</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>final</code> <code>ReentrantLock lock = </code><code>this</code><code>.lock;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>06</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Object[] elements = getArray();</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>08</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>int</code> <code>len = elements.length;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>09</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>// 复制出新数组</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>11</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + </code><code>1</code><code>);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>12</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>// 把新元素添加到新数组里</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>14</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>newElements[len] = e;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>15</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>// 把原数组引用指向新数组</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>17</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>setArray(newElements);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>19</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code> <code>true</code><code>;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>21</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>} </code> <code>finally</code> <code>{ </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>23</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>lock.unlock();</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>29</code></td> 
   <td><code>final</code> <code> void</code> <code>setArray(Object[] a) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>30</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>array = a;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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。

[view source][]

[print][] [?][Link 1]

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>1</code></td> 
   <td><code>public</code> <code> E get(</code><code>int</code> <code>index) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>2</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code> <code>get(getArray(), index);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：

[view source][]

[print][] [?][Link 1]

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>01</code></td> 
   <td><code>import</code> <code> java.util.Collection;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>02</code></td> 
   <td><code>import</code> <code> java.util.Map;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>03</code></td> 
   <td><code>import</code> <code> java.util.Set;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>05</code></td> 
   <td><code>public</code> <code> class</code> <code>CopyOnWriteMap&lt;K, V&gt; </code><code>implements</code> <code>Map&lt;K, V&gt;, Cloneable { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>06</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code> <code>volatile</code> <code>Map&lt;K, V&gt; internalMap;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>08</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code> <code>CopyOnWriteMap() { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>09</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>internalMap = </code><code>new</code> <code>HashMap&lt;K, V&gt;();</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>12</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code> <code>V put(K key, V value) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>14</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>synchronized</code> <code>(</code><code>this</code><code>) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>15</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Map&lt;K, V&gt; newMap = </code><code>new</code> <code>HashMap&lt;K, V&gt;(internalMap);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>16</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>V val = newMap.put(key, value);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>17</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>internalMap = newMap;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>18</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code> <code>val;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>22</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code> <code>V get(Object key) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>23</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code> <code>internalMap.get(key);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>26</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code> <code>void</code> <code>putAll(Map&lt;? </code> <code>extends</code> <code>K, ? </code><code>extends</code> <code>V&gt; newData) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>27</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>synchronized</code> <code>(</code><code>this</code><code>) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>28</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>Map&lt;K, V&gt; newMap = </code><code>new</code> <code>HashMap&lt;K, V&gt;(internalMap);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>29</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>newMap.putAll(newData);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>30</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>internalMap = newMap;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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。

#### 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，商品类目的访问和更新场景，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：

[view source][]

[print][] [?][Link 1]

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>01</code></td> 
   <td><code>package</code> <code> com.ifeve.book;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>03</code></td> 
   <td><code>import</code> <code> java.util.Map;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>05</code></td> 
   <td><code>import</code> <code> com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>08</code></td> 
   <td><code>&nbsp;</code><code>* 黑名单服务</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>10</code></td> 
   <td><code>&nbsp;</code><code>* @author fangtengfei</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>13</code></td> 
   <td><code>public</code> <code> class</code> <code>BlackListServiceImpl { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>15</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code> <code>static</code> <code>CopyOnWriteMap&lt;String, Boolean&gt; blackListMap = </code><code>new</code> <code>CopyOnWriteMap&lt;String, Boolean&gt;(</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>18</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code> <code>static</code> <code>boolean</code> <code>isBlackList(String id) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>19</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code> <code>blackListMap.get(id) == </code><code>null</code> <code>? </code><code>false</code> <code> : </code><code>true</code><code>;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>22</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code> <code>static</code> <code>void</code> <code> addBlackList(String id) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>23</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>27</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>* 批量添加黑名单</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>29</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>* @param ids</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>31</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code> <code>static</code> <code>void</code> <code> addBlackList(Map&lt;String,Boolean&gt; ids) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>32</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>blackListMap.putAll(ids);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

代码很简单，但是使用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。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。

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][]。

**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。

关于C++的STL中，曾经也有过Copy-On-Write的玩法，参见陈皓的《[C++ STL String类中的Copy-On-Write][C_ STL String_Copy-On-Write]》，后来，因为有很多线程安全上的事，就被去掉了。

源自：[http://ifeve.com/java-copy-on-write/][http_ifeve.com_java-copy-on-write]

[cow-copy-300x222.jpg]: /images/20220611/8bac698112604df69b7643dbdc880b06.png
[view source]: http://ifeve.com/java-copy-on-write/#viewSource
[print]: http://ifeve.com/java-copy-on-write/#printSource
[Link 1]: http://ifeve.com/java-copy-on-write/#about
[ConcurrentHashMap]: http://ifeve.com/concurrenthashmap/
[C_ STL String_Copy-On-Write]: http://blog.csdn.net/haoel/article/details/24058
[http_ifeve.com_java-copy-on-write]: http://ifeve.com/java-copy-on-write/