Java 写时复制容器 —— CopyOnWriteArrayList

谁践踏了优雅 2022-10-07 10:57 180阅读 0赞

# 引言 #

写时复制的含义是当容器发生修改操作时，如add() 等，就会将原来的容器整体复制一份，这个过程是加锁的。而如果只是读取资源，例如 get() ，就不会受到任何同步要求的限制。

**写时复制的理念**是，如果多个读取线程请求相同的数据，它们会共享相同的数据，而不需要考虑并发修改的问题不得不在线程内部生成一份数据副本；当容器发生修改操作时，系统这时才会真正复制一个副本给其他请求者，也就是说，写时复制的理念最主要是解决访问者需要考虑并发修改的问题，有了这种机制，就可以避免生成线程副本或加锁访问，只要容器没有被修改，就不会产生任何数据副本。在很大程度上提高了读的性能。

但缺点显而易见，如果容器依然有大量的修改操作，或读写比不高的话，使用写时复制容器只会降低程序性能。

# 一、CopyOnWriteArrayList #

## 1.1 写入效率 ##

public class T04_CopyOnWriteList {
        
        public static void runAndComputeTime(Thread[] ths) {
            long s1 = System.currentTimeMillis();
            Arrays.stream(ths).forEach(t -> t.start());
            Arrays.stream(ths).forEach(t -> {
                try {
                    t.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            long s2 = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(s2 - s1 + " ms");
        }
        
        public static void main(String[] args) {
    //        List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); // output:7565 ms
    //        List<String> list = new Vector<>(); // output:53 ms
            List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>()); // output:52 ms
            
            Thread[] ths = new Thread[100];
            for (int i = 0; i < ths.length; i++) {
                Runnable task = () -> {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        list.add("a" + j);
                    }
                };
                ths[i] = new Thread(task);
            }
            runAndComputeTime(ths);
            System.out.println(list.size());
        }
    }

上述代码模拟了100个线程，每个线程向 list 中加入1000个字符串的操作。

runAndComputeTime() 方法先是启动线程，然后通过 join 方法，依次将所有线程合并到主线程中，这么做的目的主要是让全部线程的执行时间累加，从而得出一个总时间。

最后输出消耗时间和 list 存储数量，消耗时间不必多说， list 存储数量主要是看并发场景下线程安全性，不能出现“丢失数据”的情况，想一想 如果用 ArrayList，最终 size() 方法输出多少？

从输出结果来看，**两个同步容器执行效率相当，都是 50 ~ 80 ms 左右，而CopyOnWriteArrayList 执行效率最长，达到了惊人的 7500 ms。**

所以，如果不是确定写入操作极少，就一定不要使用 CopyOnWriteArrayList！

## 1.2 读取效率 ##

public class T05_CopyOnWriteList {
            private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); // output:66ms
    //    private static List<String> list = new Vector<>();// output:956ms
    //    private static List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());// output:873ms
        
        static {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                list.add(String.valueOf(i));
            }
        }
        
        public static void main(String[] args) {
            Thread[] ths = new Thread[100];
            for (int i = 0; i < ths.length; i++) {
                Runnable task = () -> {
                    for (int j = 0; j < list.size(); j++) {
                        list.get(j);
                    }
                };
                ths[i] = new Thread(task);
            }
            System.out.println("开始...");
            long t1 = System.currentTimeMillis();
            Arrays.stream(ths).forEach(t -> t.start());
            Arrays.stream(ths).forEach(t -> {
                try {
                    t.join();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            long t2 = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(t2 - t1 + "ms");
        }
    }

上述代码中，先通过 static 块初始化了一个 list，然后通过 100个线程并发读取 list 中的数据，最后通过 join 累加所有过程的执行时间，并输出消耗时间。

从执行结果来看，同步容器的执行效率在 800~900ms 左右，而 CopyOnWriteArrayList 可以达到惊人的 百毫秒以内，效率提升了十倍以上。

所以，如果确定一批数据的写入操作极少，而读取操作非常频繁的话，可以考虑使用 CopyOnWriteArrayList 容器，线程安全+读性能可观。

# 二、CopyOnWriteArrayList 源码分析 #

写时复制容器的写入操作包括 add 、set 等，实现逻辑几乎完全一致，以 add() 为例：

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();
            }
        }

容器内部维护了一个 ReentrantLock 作为锁的实现，在执行 add 操作时，先进行锁定。

然后取得底层数组，并拷贝一个长度 +1 的新数组，并将新元素放入最后。

将容器指针指向新的数组后，unlock 解锁。

由此可见，写入慢的原因就不言自明了，加锁、整个数组拷贝，这两个逻辑就是写入慢的真正的元凶。

我们再来看下读取的逻辑，以 get() 为例：

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

整个获取元素的过程未加任何锁，原因就是容器已经在修改的时候保证了同步逻辑，极大的提升了读取的效率。

# 总结 #

写时复制的观念就是在修改时复制容器的副本，从而避免在读取时需要考虑额外的并发修改问题。

写时复制容器的应用场景是写入操作极少，读取操作非常多的情况，切不可在包含大量写入操作的场景下使用 CopyOnWrite 。

Java 的写时复制容器实现是 CopyOnWriteArrayList，其底层就是一个定长数组，当容器发生修改时，会使用容器内的 ReentrantLock 上锁，并拷贝整个数组完成操作。

当发生读取时，可以像单线程那样不需要加任何同步机制，可以让多线程并发读取的效率达到最大。