[Java併發-18-併發設計模式] COW模式：Copy-on-Write模式的應用領域

在上一篇文章中咱們講到 Java 裏 String 這個類在實現 replace() 方法的時候，並無更改原字符串裏面 value[] 數組的內容，而是建立了一個新字符串，這種方法在解決不可變對象的修改問題時常常用到。若是你深刻地思考這個方法，你會發現它本質上是一種Copy-on-Write 方法。所謂 Copy-on-Write，常常被縮寫爲 COW 或者 CoW，顧名思義就是寫時複製。

不可變對象的寫操做每每都是使用 Copy-on-Write 方法解決的，固然 Copy-on-Write 的應用領域並不侷限於 Immutability 模式。下面咱們先簡單介紹一下 Copy-on-Write 的應用領域，讓你對它有個更全面的認識。

Copy-on-Write 模式的應用領域

咱們知道 CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet 這兩個 Copy-on-Write 容器，它們背後的設計思想就是 Copy-on-Write；經過 Copy-on-Write 這兩個容器實現的讀操做是無鎖的，因爲無鎖，因此將讀操做的性能發揮到了極致。

除了上面咱們說的 Java 領域，不少其餘領域也都能看到 Copy-on-Write 的身影：Docker 容器鏡像的設計是 Copy-on-Write，甚至分佈式源碼管理系統 Git 背後的設計思想都有 Copy-on-Write。

CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet 這兩個 Copy-on-Write 容器在修改的時候會複製整個數組，因此若是容器常常被修改或者這個數組自己就很是大的時候，是不建議使用的。反之，若是是修改很是少、數組數量也不大，而且對讀性能要求苛刻的場景，使用 Copy-on-Write 容器效果就很是好了。

一個真實案例

RPC 框架中有個基本的核心功能就是負載均衡。服務提供方是多實例分佈式部署的，因此服務的客戶端在調用 RPC 的時候，會選定一個服務實例來調用，這個選定的過程本質上就是在作負載均衡，而作負載均衡的前提是客戶端要有所有的路由信息。

例如在下圖中，A 服務的提供方有 3 個實例，分別是 192.168.1.一、192.168.1.2 和 192.168.1.3，客戶端在調用目標服務 A 前，首先須要作的是負載均衡，也就是從這 3 個實例中選出 1 個來，而後再經過 RPC 把請求發送選中的目標實例。

RPC 路由關係圖

RPC 框架的一個核心任務就是維護服務的路由關係，咱們能夠把服務的路由關係簡化成下圖所示的路由表。當服務提供方上線或者下線的時候，就須要更新客戶端的這張路由表。

每次 RPC 調用都須要經過負載均衡器來計算目標服務的 IP 和端口號，而負載均衡器須要經過路由表獲取接口的全部路由信息，也就是說，每次 RPC 調用都須要訪問路由表，因此訪問路由表這個操做的性能要求是很高的。不過路由表對數據的一致性要求並不高，一個服務提供方從上線到反饋到客戶端的路由表裏，即使有 5 秒鐘，不少時候也都是能接受的。並且路由表是典型的讀多寫少類問題。

經過以上分析，你會發現一些關鍵詞：對讀的性能要求很高，讀多寫少，弱一致性。它們綜合在一塊兒，你會想到什麼呢？CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet 天生就適用這種場景啊。因此下面的示例代碼中，RouteTable 這個類內部咱們經過ConcurrentHashMap<String, CopyOnWriteArraySet<Router>>這個數據結構來描述路由表，ConcurrentHashMap 的 Key 是接口名，Value 是路由集合，這個路由集合咱們用是 CopyOnWriteArraySet。

下面咱們再來思考 Router 該如何設計，服務提供方的每一次上線、下線都會更新路由信息，這時候你有兩種選擇。

一種是經過更新 Router 的一個狀態位來標識，若是這樣作，那麼全部訪問該狀態位的地方都須要同步訪問，這樣很影響性能。

另一種就是採用 Immutability 模式，每次上線、下線都建立新的 Router 對象或者刪除對應的 Router 對象。因爲上線、下線的頻率很低，因此後者是最好的選擇。

Router 的實現代碼以下所示，是一種典型 Immutability 模式的實現，須要你注意的是咱們重寫了 equals 方法，這樣 CopyOnWriteArraySet 的 add() 和 remove() 方法才能正常工做。

// 路由信息
public final class Router{
  private final String  ip;
  private final Integer port;
  private final String  iface;
  // 構造函數
  public Router(String ip, 
      Integer port, String iface){
    this.ip = ip;
    this.port = port;
    this.iface = iface;
  }
  // 重寫 equals 方法
  public boolean equals(Object obj){
    if (obj instanceof Router) {
      Router r = (Router)obj;
      return iface.equals(r.iface) &&
             ip.equals(r.ip) &&
             port.equals(r.port);
    }
    return false;
  }
  public int hashCode() {
    // 省略 hashCode 相關代碼
  }
}
// 路由表信息
public class RouterTable {
  //Key: 接口名
  //Value: 路由集合
  ConcurrentHashMap<String, CopyOnWriteArraySet<Router>> 
    rt = new ConcurrentHashMap<>();
  // 根據接口名獲取路由表
  public Set<Router> get(String iface){
    return rt.get(iface);
  }
  // 刪除路由
  public void remove(Router router) {
    Set<Router> set=rt.get(router.iface);
    if (set != null) {
      set.remove(router);
    }
  }
  // 增長路由
  public void add(Router router) {
    Set<Router> set = rt.computeIfAbsent(
      route.iface, r -> 
        new CopyOnWriteArraySet<>());
    set.add(router);
  }
}

總結

其實 Copy-on-Write 纔是最簡單的併發解決方案。它是如此簡單，以致於 Java 中的基本數據類型 String、Integer、Long 等都是基於 Copy-on-Write 方案實現的。

Copy-on-Write 是一項很是通用的技術方案，在不少領域都有着普遍的應用。不過，它也有缺點的，那就是消耗內存，每次修改都須要複製一個新的對象出來。若是寫操做很是少，那你就能夠嘗試用一下 Copy-on-Write，效果仍是不錯的。