CopyOnWriteArrayList——java中高并发的集合类

╰半夏微凉° 2023-10-06 16:33 11阅读 0赞

首先来看一个问题：JDK 5在java.util.concurrent里引入了ConcurrentHashMap，在需要支持高并发的场景，我们可以使用它代替HashMap。但是为什么没有ArrayList的并发实现呢？难道在多线程场景下我们只有Vector这一种线程安全的数组实现可以选择么？为什么在java.util.concurrent 没有一个类可以代替Vector呢？

有的人可能直接回答，可以使用CopyOnWriteArrayList啊。那好，我们接下来研究一下。

### 1、CopyOnWriteArrayList原理 ###

CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器，**它是个线程安全且读操作无锁的ArrayList，写操作则通过创建底层数组的新副本来实现，是一种读写分离的并发策略，我们也可以称这种容器为"写时复制器"**，Java并发包中类似的容器还有CopyOnWriteSet。

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）。

很多时候，我们的系统应对的都是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。

**优点：**

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：**

缺点也很明显，一是内存占用问题，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；二是无法保证实时性，Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因，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。三是大量写操作性能极差。

### 2、限制： ###

1）可以直接在CopyOnWriteArrayList上一边遍历，一遍进行add、remove操作：

我们都知道，对于ArrayList等集合，遍历的时候如果调用add、remove修改list，会报ConcurrentModificationException异常。但是，CopyOnWriteArrayList由于采用副本，所以可以直接add、remove。

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
    list.add("aaa");
    list.add("bbb");
    list.add("ccc");
     
    for (String str:list) {
        System.out.println(str);
        list.add("ddd");
        list.remove("aaa");
    }
    System.out.println(list);
     
    输出
    aaa
    bbb
    ccc
    [bbb, ccc, ddd, ddd, ddd]

2）CopyOnWriteArrayList的迭代器，没有remove功能：

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
    list.add("aaa");
    list.add("bbb");
    list.add("ccc");
     
    Iterator<String> iterator = list.iterator();
    while(iterator.hasNext()) {
        String next = iterator.next();
        iterator.remove();
    }
     
    Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
        at java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList$COWIterator.remove(CopyOnWriteArrayList.java:1178)
        at ConcurrentSet.main(ConcurrentSet.java:47)

3）CopyOnWriteArrayList不支持Collections.sort(copyOnWriteArrayList, myComparator)：

会报异常：java.lang.UnsupportedOperationException，解决方法：

List temp = Arrays.asList(copyOnWriteArrayList.toArray());
    Collections.sort(temp);
    copyOnwriteArrayList.clear();
    copyOnWriteArrayList.addAll(temp);

###    二、其他： ###

其实在java.util.concurrent包中没引入并发的ArrayList实现，主要原因：很难去开发一个通用并且没有并发瓶颈的线程安全的List。

像ConcurrentHashMap这样的类的真正价值（The real point / value of classes）并不是它们保证了线程安全。而在于它们在保证线程安全的同时不存在并发瓶颈。举个例子，ConcurrentHashMap采用了锁分段技术和弱一致性的Map迭代器去规避并发瓶颈。

所以问题在于，像“Array List”这样的数据结构，你不知道如何去规避并发的瓶颈。拿contains() 这样一个操作来说，当你进行搜索的时候如何避免锁住整个list？