CopyOnWriteArrayList底层原理解析

不念不忘少年蓝@ 2022-12-28 08:22 182阅读 0赞

ArrayList并不是一个线程安全的容器，对于高并发下可以用Vector，或者使用Collections的静态方法将ArrayList包装成一个线程安全的类，但是这些方式都是采用Java关键字synchronzied对方法进行修饰，利用独占式锁来保证线程安全的。但是，由于独占式锁在同一时刻只有一个线程能够获取到对象监视器，很显然这种方式效率并不是太高。

集合框架中的ArrayList是非线程安全的，Vector虽是线程安全的，但由于简单粗暴的锁同步机制，性能较差。而CopyOnWriteArrayList则提供了另一种不同的并发处理策略（当然是针对特定的并发场景：读多写少）。

# 底层原理 #

针对读多写少的并发场景。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读，读操作是无锁的，性能较高。  
**至于写操作，比如向容器中添加一个元素，则首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lhbmdzaGVuZ3dlaTIzMDYxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 源码分析 #

CopyOnWriteArrayList.add 添加操作  
添加的逻辑很简单，先将原容器copy一份，然后在新副本上执行写操作，之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。

public boolean add(E e) { 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
    	//1. 使用Lock,保证写线程在同一时刻只有一个
        lock.lock();
        try { 
    		//2. 获取旧数组引用
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
    		//3. 创建新的数组，并将旧数组的数据复制到新数组中
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
    		//4. 往新数组中添加新的数据 
    		newElements[len] = e;
    		//5. 将旧数组引用指向新的数组
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally { 
            lock.unlock();
        }
    }

add方法的逻辑也比较容易理解，请看上面的注释。需要注意这么几点：

采用ReentrantLock，保证同一时刻只有一个写线程正在进行数组的复制，否则的话内存中会有多份被复制的数据；  
前面说过数组引用是volatile修饰的，因此将旧的数组引用指向新的数组，根据volatile的happens-before规则，写线程对数组引用的修改对读线程是可见的。  
由于在写数据的时候，是在新的数组中插入数据的，从而保证读写实在两个不同的数据容器中进行操作。

删除操作  
删除操作同理，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，然后切换引用，将原容器引用指向新副本。同属写操作，需要加锁。  
public E remove(int index) \{  
//加锁  
final ReentrantLock lock = this.lock;  
lock.lock();  
try \{  
Object\[\] elements = getArray();  
int len = elements.length;  
E oldValue = get(elements, index);  
int numMoved = len - index - 1;  
if (numMoved == 0)  
//如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用  
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));  
else \{  
//否则，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用  
Object\[\] newElements = new Object\[len - 1\];  
//拷贝前半部分  
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);  
//拷贝后半部分  
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,  
numMoved);  
setArray(newElements);  
\}  
return oldValue;  
\} finally \{  
//解锁  
lock.unlock();  
\}  
\}  
CopyOnWriteArrayList的读操作是不用加锁的，性能很高。  
直接读取即可，无需加锁

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

# 优点 #

写的时候不会阻塞读：因为写的时候是拷贝了一个新的数组，往新的里写，读是读旧的。  
读的效率很高：　读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时，若中途有别的线程对list容器进行修改，则会抛出ConcurrentModificationException异常。  
而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的list容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了

# 缺点 #

1.  即内存占用问题：毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC
2.  数据一致性问题：Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。，写和读分别作用在新老不同容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。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。

[并发容器之CopyOnWriteArrayList详解  
][CopyOnWriteArrayList_]

[CopyOnWriteArrayList实现原理及源码分析][CopyOnWriteArrayList]

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[CopyOnWriteArrayList_]: https://blog.csdn.net/ThinkWon/article/details/102508258?utm_source=app
[CopyOnWriteArrayList]: https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6881974.html