Java多线程进阶（十四）：CopyOnWrite容器

阳光穿透心脏的1/2处 2023-07-17 06:37 28阅读 0赞

##### 什么是CopyOnWrite容器 #####

在说到CopyOnWrite容器之前我们先来谈谈什么是CopyOnWrite机制，CopyOnWrite是计算机设计领域中的一种优化策略，也是一种在并发场景下常用的设计思想——写入时复制思想。

那什么是写入时复制思想呢？就是当有多个调用者同时去请求一个资源数据的时候，有一个调用者出于某些原因需要对当前的数据源进行修改，这个时候系统将会复制一个当前数据源的副本给调用者修改。

CopyOnWrite容器即**写时复制的容器**,当我们往一个容器中添加元素的时候，不直接往容器中添加，而是将当前容器进行copy，复制出来一个新的容器，然后向新容器中添加我们需要的元素，最后将原容器的引用指向新容器。

这样做的好处在于，我们可以在并发的场景下对容器进行"读操作"而不需要"加锁"，从而达到读写分离的目的。从JDK 1.5 开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器 ，分别是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet 。我们着重给大家介绍一下CopyOnWriteArrayList。

##### CopyOnWriteArrayList #####

优点： CopyOnWriteArrayList经常被用于“读多写少”的并发场景，是因为CopyOnWriteArrayList无需任何同步措施，大大增强了读的性能。在Java中遍历线程非安全的List(如：ArrayList和 LinkedList)的时候，若中途有别的线程对List容器进行修改，那么会抛出ConcurrentModificationException异常。CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"，遍历和修改操作分别作用在不同的List容器，所以在使用迭代器遍历的时候，则不会抛出异常。

缺点： 第一个缺点是CopyOnWriteArrayList每次执行写操作都会将原容器进行拷贝了一份，数据量大的时候，内存会存在较大的压力，可能会引起频繁Full GC（ZGC因为没有使用Full GC）。比如这些对象占用的内存比较大200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会多占用300M。

第二个缺点是CopyOnWriteArrayList由于实现的原因，写和读分别作用在不同新老容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞，但读取到的却是老容器的数据。

现在我们来看一下CopyOnWriteArrayList的add操作源码，它的逻辑很清晰，就是先把原容器进行copy，然后在新的副本上进行“写操作”，最后再切换引用，在此过程中是加了锁的。

public boolean add(E e) {
    
        // ReentrantLock加锁，保证线程安全
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 拷贝原容器，长度为原容器长度加一
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            // 在新副本上执行添加操作
            newElements[len] = e;
            // 将原容器引用指向新副本
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            // 解锁
            lock.unlock();
        }
    }

我们再来看一下remove操作的源码，remove的逻辑是将要remove元素之外的其他元素拷贝到新的副本中，然后切换引用，再将原容器的引用指向新的副本中，因为remove操作也是“写操作”所以也是要加锁的。

public E remove(int index) {
    
            // 加锁
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lock();
            try {
                Object[] elements = getArray();
                int len = elements.length;
                E oldValue = get(elements, index);
                int numMoved = len - index - 1;
                if (numMoved == 0)
                    // 如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用
                    setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
                else {
                    // 否则，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用
                    Object[] newElements = new Object[len - 1];
                    System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                    System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                     numMoved);
                    setArray(newElements);
                }
                return oldValue;
            } finally {
                // 解锁
                lock.unlock();
            }
        }

我们再来看看CopyOnWriteArrayList效率最高的读操作的源码

public E get(int index) {
         return get(getArray(), index);
     }
    
     private E get(Object[] a, int index) {
         return (E) a[index];
     }

由上可见“读操作”是没有加锁，直接读取。

##### 总结 #####

CopyOnWrite容器有数据一致性的问题，它只能保证最终数据一致性。

所以如果我们希望写入的数据马上能准确地读取，请不要使用CopyOnWrite容器。