Java中的Copy-On-Write容器

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。

01	public boolean add(T e) {

02	final ReentrantLock lock = this.lock;

03	lock.lock();

04

try {

05

06	Object[] elements = getArray();

07

08	int len = elements.length;

09

// 複製出新數組

10

11	Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

12	// 把新元素添加到新數組裏

13

14	newElements[len] = e;

15	// 把原數組引用指向新數組

16

17	setArray(newElements);

18

19	return true;

20

21	} finally {

22

23	lock.unlock();

24

25

}

26

27

}

28

29	final void setArray(Object[] a) {

30	array = a;

31

}

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。

1	public E get(int index) {

2	return get(getArray(), index);

3

}

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：

01	import java.util.Collection;

02	import java.util.Map;

03	import java.util.Set;

04

05	public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {

06	private volatile Map<K, V> internalMap;

07

08	public CopyOnWriteMap() {

09	internalMap = new HashMap<K, V>();

10

}

11

12	public V put(K key, V value) {

13

14	synchronized (this) {

15	Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);

16	V val = newMap.put(key, value);

17	internalMap = newMap;

18	return val;

19

}

20

}

21

22	public V get(Object key) {

23	return internalMap.get(key);

24

}

25

26	public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {

27	synchronized (this) {

28	Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);

29	newMap.putAll(newData);

30	internalMap = newMap;

31

}

32

}

33

}

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：

01	package com.ifeve.book;

02

03	import java.util.Map;

04

05	import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;

06

07

/**

08

* 黑名單服務

09

*

10	* @author fangtengfei

11

*

12

*/

13	public class BlackListServiceImpl {

14

15	private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(

16

1000);

17

18	public static boolean isBlackList(String id) {

19	return blackListMap.get(id) == null ? false : true;

20

}

21

22	public static void addBlackList(String id) {

23	blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);

24

}

25

26

/**

27

* 批量添加黑名單

28

*

29	* @param ids

30

*/

31	public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {

32	blackListMap.putAll(ids);

33

}

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35

}

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。

關於C++的STL中，曾經也有過Copy-On-Write的玩法，參見陳皓的《C++ STL String類中的Copy-On-Write》，後來，由於有不少線程安全上的事，就被去掉了。