002-多线程-JUC集合-List-CopyOnWriteArrayList

一、概述

　　CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器，它是个线程安全且读操作无锁的ArrayList，写操作则通过创建底层数组的新副本来实现，是一种读写分离的并发策略，我们也可以称这种容器为"写时复制器"，Java并发包中类似的容器还有CopyOnWriteSet。

　　CopyOnWriteArrayList容器允许并发读，读操作是无锁的，性能较高。至于写操作，比如向容器中添加一个元素，则首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。

　　它相当于线程安全的ArrayList。和ArrayList一样，它是个可变数组；但是和ArrayList不同的时，它具有以下特性：
　　　　1. 它最适合于具有以下特征的应用程序：List 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
　　　　2. 它是线程安全的。
　　　　3. 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove() 等等）的开销很大。
　　　　4. 迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作。
　　　　5. 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。

1.1、数据结构

　　

说明：
　　1. CopyOnWriteArrayList实现了List接口，因此它是一个队列。
　　2. CopyOnWriteArrayList包含了成员lock。每一个CopyOnWriteArrayList都和一个互斥锁lock绑定，通过lock，实现了对CopyOnWriteArrayList的互斥访问。
　　3. CopyOnWriteArrayList包含了成员array数组，这说明CopyOnWriteArrayList本质上通过数组实现的。

　　下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList的原理进行说明。

　　　　1. CopyOnWriteArrayList的“动态数组”机制 -- 它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile数组”。这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因！CopyOnWriteArrayList就是通过这种方式实现的动态数组；不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList效率很
低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。

　　　　2. CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制 -- 是通过volatile和互斥锁来实现的。(01) CopyOnWriteArrayList是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时，总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入；就这样，通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的
保证。(02) CopyOnWriteArrayList通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile数组”中，然后再“释放互斥锁”；这样，就达到了保护数据的目的。 

1.2、使用

/**
 * CopyOnWriteArrayList是“线程安全”的动态数组，而ArrayList是非线程安全的。
 * 下面是“多个线程同时操作并且遍历list”的示例
 * (01) 当list是CopyOnWriteArrayList对象时，程序能正常运行。
 * (02) 当list是ArrayList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
 */
public class CopyOnWriteArrayListTest1 {
    // TODO: list是ArrayList对象时，程序会出错。
//    private static List<String> list = new ArrayList<String>();
    private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();

    public static void main(String[] args) {

        // 同时启动两个线程对list进行操作！
        new MyThread("ta").start();
        new MyThread("tb").start();
    }

    private static void printAll() {
        String value = null;
        Iterator iter = list.iterator();
        while (iter.hasNext()) {
            value = (String) iter.next();
            System.out.print(value + ", ");
        }
        System.out.println();
    }

    private static class MyThread extends Thread {
        MyThread(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            int i = 0;
            while (i++ < 6) {
                // “线程名” + "-" + "序号"
                String val = Thread.currentThread().getName() + "-" + i;
                list.add(val);
                // 通过“Iterator”遍历List。
                printAll();
            }
        }
    }
}

 

1.3、使用场景

读多写少的并发场景,读写分离，适合写少读多的场景。使用了独占锁，支持多线程下的并发写。

优点：

　　读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时，若中途有别的线程对list容器进行修改，则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的list容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了

缺点：

　　缺点也很明显，一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC；二是无法保证实时性，Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因，写和读分别作用在新老不同容器上，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。三是大量写操作性能极差。

二、源码查看

无