Java并发编程：并发容器之CopyOnWriteArrayList
Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。
一、什么是CopyOnWrite容器
CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。
二、CopyOnWriteArrayList的实现原理
在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向CopyOnWriteArrayList中add方法的实现（向CopyOnWriteArrayList里添加元素），可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。
/** * Appends the specified element to the end of this list. * * @param e element to be appended to this list * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add}) */ public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); newElements[len] = e; setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }
add函数中拷贝了原来的数组并在最后加上了新元素。然后调用setArray函数将引用链接到新数组：
/** * Sets the array. */ final void setArray(Object[] a) { array = a; }
读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。
public E get(int index) { return get(getArray(), index); }
JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：
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; } } }
实现很简单，只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器，并且在不同的应用场景中使用。
三、CopyOnWrite的应用场景
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：
package com.ifeve.book; import java.util.Map; import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap; /** * 黑名单服务 * * @author fangtengfei * */ 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); } /** * 批量添加黑名单 * * @param ids */ public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) { blackListMap.putAll(ids); } }
代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：
1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。
2. 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。
四、Java中 CopyOnWriteArrayList 的使用
java中，List在遍历的时候，如果被修改了会抛出java.util.ConcurrentModificationException错误。
看如下代码：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Resource3 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { List<String> a = new ArrayList<String>(); a.add("a"); a.add("b"); a.add("c"); final ArrayList<String> list = new ArrayList<String>( a); Thread t = new Thread(new Runnable() { int count = -1; @Override public void run() { while (true) { list.add(count++ + ""); } } }); t.setDaemon(true); t.start(); Thread.currentThread().sleep(3); for (String s : list) { System.out.println(s); } } }
这段代码运行的时候就会抛出java.util.ConcurrentModificationException错误。这是因为主线程在遍历list的时候，子线程在向list中添加元素。
那么有没有办法在遍历一个list的时候，还向list中添加元素呢？办法是有的。就是java concurrent包中的CopyOnWriteArrayList。
先解释下CopyOnWriteArrayList类。
CopyOnWriteArrayList类最大的特点就是，在对其实例进行修改操作（add/remove等）会新建一个数据并修改，修改完毕之后，再将原来的引用指向新的数组。这样，修改过程没有修改原来的数组。也就没有了ConcurrentModificationException错误。
看下面的代码：
import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList; public class Resource3 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { List<String> a = new ArrayList<String>(); a.add("a"); a.add("b"); a.add("c"); final CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>(a); Thread t = new Thread(new Runnable() { int count = -1; @Override public void run() { while (true) { list.add(count++ + ""); } } }); t.setDaemon(true); t.start(); Thread.currentThread().sleep(3); for (String s : list) { System.out.println(list.hashCode()); System.out.println(s); } } }
这段代码在for循环中遍历list的时候，同时会输出list的hashcode来看看list是不是同一个list了。
部分输出结果如下：
669661746 a 2119153548 b 471684173 c 550648901 -1 -76447331 0 1638154873 1 921225916 2 1618672031 3 1404182932 4 950140076 5 -610377050 6 -610377050 7 -610377050 8 -610377050 9 -610377050 10 -610377050 11 -610377050 12
从上面的结果很容易就看出来，hashcode变化了多次，说明了list已经不是原来的list对象了。这说明了CopyOnWriteArrayList类的add函数在执行的时候确实是修改了list的数组对象。
五、CopyOnWrite的缺点
CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。
内存占用问题：
因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。
针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。
数据一致性问题：
CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。
本文整理自：
https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3938914.html
https://blog.csdn.net/imzoer/article/details/9751591
