聊聊併發（九）Java中的Copy-On-Write容器

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,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器很是有用，能夠在很是多的併發場景中使用到。 ##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。 ##CopyOnWriteArrayList的實現原理## 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(T e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;

        // 複製出新數組
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

        // 把新元素添加到新數組裏
        newElements[len] = e;

        // 把原數組引用指向新數組
        setArray(newElements);

        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

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);
}

JDK中並無提供CopyOnWriteMap，咱們能夠參考CopyOnWriteArrayList來實現一個，基本代碼以下：

import java.util.Collection;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
    private volatile Map<K, V> internalMap;

    public CopyOnWriteMap() {
        internalMap = new HashMap<K, V>();
    }

    public V put(K key, V value) {

        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            V val = newMap.put(key, value);
            internalMap = newMap;
            return val;
        }
    }

    public V get(Object key) {
        return internalMap.get(key);
    }

    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            newMap.putAll(newData);
            internalMap = newMap;
        }
    }
}

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。 ##CopyOnWrite的應用場景## CopyOnWrite併發容器用於讀多寫少的併發場景。好比白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如咱們有一個搜索網站，用戶在這個網站的搜索框中，輸入關鍵字搜索內容，可是某些關鍵字不容許被搜索。這些不能被搜索的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單天天晚上更新一次。當用戶搜索時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中，若是在，則提示不能搜索。實現代碼以下：

package com.king.book;

import java.util.Map;
import com.king.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;

/**
 * 黑名單服務
 */
public class BlackListServiceImpl {

    private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(1000);

    public static boolean isBlackList(String id) {
        return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
    }

    public static void addBlackList(String id) {
        blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
    }

    /**
     * 批量添加黑名單
     *
     * @param ids
     */
    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
        blackListMap.putAll(ids);
    }
}

代碼很簡單，可是使用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。如使用上面代碼裏的addBlackList方法。

##CopyOnWrite的缺點## 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。 ###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。

###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。