CopyOnWriteArrayList 实现原理与应用

CopyOnWriteArrayList

一、简介

    JDK5中添加了新的concurrent包，其中包含了很多并发容器，这些容器针对多线程环境进行了优化，大大提高了容器类在并发环境下的执行效率。

    CopyOnWriteArrayList类是一个线程安全的List接口的实现，在该类的内部进行元素的写操作时，底层的数组将被完整的复制，这对于读 操作远远多于写操作的应用非常适合。在CopyOnWriteArrayList上进行操作时，读操作不需要加锁，而写操作类实现中对其进行了加锁。

二、具体实现

    CopyOnWriteArrayList底层的定义如下：

 

public
 
class
 CopyOnWriteArrayList<E>
        implements
 List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    private
 
volatile
 
transient
 E[] array;

    private
 E[] array() { 
return
 array; }

    // 该操作是加锁的，防止array在copy的时候被替换
    private
 
synchronized
 
void
 copyIn(E[] toCopyIn, 
int
 first, 
int
 n) {
        array  = (E[]) new
 Object[n];
        System.arraycopy(toCopyIn, first, array, 0
, n);
    }

  ...
}

读写操作：

public
 
class
 CopyOnWriteArrayList<E>
        implements
 List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    public
 E get(
int
 index) {
     // 由于包括rangeCheck和index两个操作，并不是直接在array上执行
   // 而是使用本地变量elementData引用array数组，防止两个操作之间
   // array被替换
     E[] elementData = array();
        rangeCheck(index, elementData.length);
        return
 elementData[index];
    }

    public
 
synchronized
 E set(
int
 index, E element) { 
// 是同步的
        int
 len = array.length;
        rangeCheck(index, len);
        E oldValue = array[index];

        // 判断该写的元素与原数据是否相同
        boolean
 same = (oldValue == element ||
        (element != null
 && element.equals(oldValue)));

        if
 (!same) {
            // [1] 创建一个新数组，将原array的值拷贝至新数组
        E[] newArray = (E[]) new
 Object[len];
            System.arraycopy(array, 0
, newArray, 
0
, len);
            // [2] set的元素
        newArray[index] = element;
            // [3] 替换底层array数组
        array = newArray;
        }
        return
 oldValue;
    }

  ...
}

add和remove也采用相同的技术：

public
 
class
 CopyOnWriteArrayList<E>
        implements
 List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    public
 
synchronized
 
boolean
 add(E element) {
        // [1] new and copy
        int
 len = array.length;
        E[] newArray = (E[]) new
 Object[len+
1
];
        System.arraycopy(array, 0
, newArray, 
0
, len);
        // [2] add element
        newArray[len] = element;
        // [3] change base array
        array = newArray;
        return
 
true
;
    }

    public
 
synchronized
 E remove(
int
 index) {
        int
 len = array.length;
        rangeCheck(index, len);
        E oldValue = array[index];
        // new一个新的数组
      E[] newArray = (E[]) new
 Object[len-
1
];
        // copy index之前的元素
      System.arraycopy(array, 0
, newArray, 
0
, index);
        // copy余下的元素
      int
 numMoved = len - index - 
1
;
        if
 (numMoved > 
0
)
            System.arraycopy(array, index+1
, newArray, index, numMoved);
        // 替换array引用
     array = newArray;
        return
 oldValue;
    }

  ...
}

特别注意：在CopyOnWriteArrayList上获得的Iterator是不能进行set和remove操作的，否则会抛出异常。

 

除了加锁外，其实还有一种方式可以防止并发修改异常，这就是将读写分离技术（不是数据库上的）。

先回顾一下一个常识：

1、JAVA中“=”操作只是将引用和某个对象关联，假如同时有一个线程将引用指向另外一个对象，一个线程获取这个引用指向的对象，那么他们之间不会发生ConcurrentModificationException，他们是在虚拟机层面阻塞的，而且速度非常快，几乎不需要CPU时间。

2、JAVA中两个不同的引用指向同一个对象，当第一个引用指向另外一个对象时，第二个引用还将保持原来的对象。

 

基于上面这个常识，我们再来探讨下面这个问题：

在CopyOnWriteArrayList里处理写操作（包括add、remove、set等）是先将原始的数据通过JDK1.6的Arrays.copyof()来生成一份新的数组

然后在新的数据对象上进行写，写完后再将原来的引用指向到当前这个数据对象（这里应用了常识1），这样保证了每次写都是在新的对象上（因为要保证写的一致性，这里要对各种写操作要加一把锁，JDK1.6在这里用了重入锁），

然后读的时候就是在引用的当前对象上进行读（包括get，iterator等），不存在加锁和阻塞，针对iterator使用了一个叫 COWIterator的阉割版迭代器，因为不支持写操作，当获取CopyOnWriteArrayList的迭代器时，是将迭代器里的数据引用指向当前 引用指向的数据对象，无论未来发生什么写操作，都不会再更改迭代器里的数据对象引用，所以迭代器也很安全（这里应用了常识2）。

CopyOnWriteArrayList中写操作需要大面积复制数组，所以性能肯定很差，但是读操作因为操作的对象和写操作不是同一个对象，读之 间也不需要加锁，读和写之间的同步处理只是在写完后通过一个简单的“=”将引用指向新的数组对象上来，这个几乎不需要时间，这样读操作就很快很安全，适合 在多线程里使用，绝对不会发生ConcurrentModificationException ，所以最后得出结论：CopyOnWriteArrayList适合使用在读操作远远大于写操作的场景里，比如缓存。