Java进阶—CopyOnWriteArrayList

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在并发编程—ArrayList线程安全问题一文中提到ArrayList是线程不安全的，可以使用CopyOnWriteArrayList来保证线程安全。本文主要介绍一下CopyOnWriteArrayList这个类。

源码分析

首先我们可以看下CopyOnWriteArrayList的数据结构，通过源码可以看到CopyOnWriteArrayList类中维护一个array对象数组用于存储集合的每个元素，并且array数组只能通过getArray和setArray方法来访问。

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/** The lock protecting all mutators */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;

/**
 * Gets the array.  Non-private so as to also be accessible
 * from CopyOnWriteArraySet class.
 */
final Object[] getArray() {
    return array;
}

/**
 * Sets the array.
 */
final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

为什么和ArrayList相比，CopyOnWriteArrayList是线程安全的呢？就是因为CopyOnWriteArrayList的写操作都加了锁。看一下add(E e)方法的源码：

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public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //1、先加锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //2、拷贝数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //3、将元素加入到新数组中
        newElements[len] = e;
        //4、将array引用指向到新数组
        setArray(newElements);
        //5、解锁
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

可以看到调用add方法的时候，也是通过getArray()获取到对象数组，再直接新生成一个数组，最后把旧的数组的值复制到新的数组中，然后直接使用新的数组覆盖实例变量array。这也是它名字的由来：写时复制。

同样的在删除CopyOnWriteArrayList里的元素时，也同样会有一个这样复制的过程。

下图演示了两个线程并发读写CopyOnWriteArrayList的情况，其中线程1需要通过iterator()方法读取数据，线程2往集合中添加一个元素：元素3，线程2的操作是直接基于集合当前的数据进行复制一份到新的一个数组，最后将array变量指向新的一个数组。

iterator()方法本质上就是遍历数组array：

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public Iterator<E> iterator() {
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}

注意思考这样的一个场景：假设线程1在遍历元素的时候，拿到的是复制之前的数组，里面包含了元素1和元素2，于此同时线程2复制出一个新数组并添加了元素3，这个时候线程1是无法读取到元素3的。这也是CopyOnWriteArrayList的一个特点：弱一致性。意思就是说线程1看到的是某一时刻的一份“快照数据”，无法保证能读取到最新的数据。

总结

CopyOnWriteArrayList通过加锁的方式解决了ArrayList并发的线程安全问题，通过弱一致性提升读请求并发，适合用在数据读多写少的场景，比如数据库配置这种，基本已读取为主。但它也存在一些缺点：

  1. 有了锁的额外开销。
  2. 每次写操作都要进行拷贝，比较消耗性能和内存。
  3. 无法保证数据额实时一致性。

CopyOnWriteArrayList透露的思想

分析CopyOnWriteArrayList表达的一些思想：

  1. 读写分离，读和写分开
  2. 最终一致性
  3. 使用另外开辟空间的思路，来解决并发冲突
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