JUC源碼分析-集合篇（四）CopyOnWriteArrayList

JUC源碼分析-集合篇（四）CopyOnWriteArrayList

Copy-On-Write 簡稱 COW，是一種用於程序設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始你們都在共享同一個內容，當某我的想要修改這個內容的時候，纔會真正把內容 Copy 出去造成一個新的內容而後再改，這是一種延時懶惰策略。從 JDK1.5 開始 Java 併發包裏提供了兩個使用 CopyOnWrite 機制實現的併發容器：

• CopyOnWriteArrayList ArrayList 線程安全的實現
• CopyOnWriteArraySetSet 線程安全的實現

1. CopyOnWrite 容器

1.1 什麼是 CopyOnWrite 容器

CopyOnWrite 容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當咱們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行 Copy，複製出一個新的容器，而後新的容器裏添加元素，添加完元素以後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣作的好處是咱們能夠對 CopyOnWrite 容器進行併發的讀，而不須要加鎖，由於當前容器不會添加任何元素。因此 CopyOnWrite 容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不一樣的容器。

1.2 CopyOnWrite 應用場景

CopyOnWrite 併發容器用於讀多寫少的併發場景。使用 CopyOnWriteMap 須要注意兩件事情：

1. 減小擴容開銷。根據實際須要，初始化 CopyOnWriteMap 的大小，避免寫時 CopyOnWriteMap 擴容的開銷。

2. 使用批量添加。由於每次添加，容器每次都會進行復制，因此減小添加次數，能夠減小容器的複製次數。

1.3 CopyOnWrite 缺點

CopyOnWrite 容器有不少優勢，可是同時也存在兩個問題，即內存佔用問題和數據一致性問題。因此在開發的時候須要注意一下。

1. 內存佔用問題。由於 CopyOnWrite 的寫時複製機制，因此在進行寫操做的時候，內存裏會同時駐紮兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意:在複製的時候只是複製容器裏的引用，只是在寫的時候會建立新對象添加到新容器裏，而舊容器的對象還在使用，因此有兩份對象內存）。若是這些對象佔用的內存比較大，好比說 200M 左右，那麼再寫入 100M 數據進去，內存就會佔用 300M，那麼這個時候頗有可能形成頻繁的 Yong GC 和 Full GC。以前咱們系統中使用了一個服務因爲每晚使用 CopyOnWrite 機制更新大對象，形成了每晚 15 秒的 Full GC，應用響應時間也隨之變長。

針對內存佔用問題，能夠經過壓縮容器中的元素的方法來減小大對象的內存消耗，好比，若是元素全是 10 進制的數字，能夠考慮把它壓縮成 36 進制或 64 進制。或者不使用 CopyOnWrite 容器，而使用其餘的併發容器，如 ConcurrentHashMap。

1. 數據一致性問題。CopyOnWrite 容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。因此若是你但願寫入的的數據，立刻能讀到，請不要使用 CopyOnWrite 容器。

2. CopyOnWriteArrayList 實現原理

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

在使用 CopyOnWriteArrayList 以前，咱們先閱讀其源碼瞭解下它是如何實現的。如下代碼是向 ArrayList 裏添加元素，能夠發如今添加的時候是須要加鎖的，不然多線程寫的時候會 Copy 出 N 個副本出來。

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();
    }
}

讀的時候不須要加鎖，若是讀的時候有多個線程正在向 ArrayList 添加數據，讀仍是會讀到舊的數據，由於寫的時候不會鎖住舊的 ArrayList。

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

實現很簡單，只要瞭解了 CopyOnWrite 機制，咱們能夠實現各類 CopyOnWrite 容器，而且在不一樣的應用場景中使用。

3. CopyOnWriteArraySet 實現原理

CopyOnWriteArraySet 底層所有使用 CopyOnWriteArrayList 實現。

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

// 增刪改查都是調用 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 爲例

public boolean addIfAbsent(E e) {
    Object[] snapshot = getArray();
    // indexOf 查找指定元素e在snapshot數組中的索引位置
    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();
    }
}

參考：

1. 聊聊併發-Java中的Copy-On-Write容器

---

天天用心記錄一點點。內容也許不重要，但習慣很重要！