java并发编程（二十）----(JUC集合)CopyOnWriteArrayList介绍
这一节开始我们正式来介绍JUC集合类。我们按照List、Set、Map、Queue的顺序来进行介绍。这一节我们来看一下CopyOnWriteArrayList。
CopyOnWriteArrayList介绍
CopyOnWriteArrayList是ArrayList 的一个线程安全的变体，其中所有可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的。
与ArrayList不同处就在于是否会拷贝数组和加锁。
CopyOnWriteArrayList顾名思义就是写时复制的ArrayList，其意思就是在修改容器的元素时，并不是直接在原数组上修改，而是先拷贝了一份数组，然后在拷贝的数组上进行修改，修改完后将其引用赋值给原数组的引用。这样体现了读写分离，这样无论在任何时候我们都可以对容器进行读取。
CopyOnWriteArrayList源码分析
我们看一下CopyOnWriteArrayList的类声明部分：
public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
/** The lock protecting all mutators */
transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private volatile transient Object[] array;
}它实现了List接口，所以实现了Collection的功能，另外我们看到还有两个类成员变量lock和array，
在后面的源码分析中我们能看到CopyOnWriteArrayList是线程安全的使用动态数组操作机制实现的List。
所谓动态数组操作机制：即通过volatile修饰的Object类型数组来进行数组的CRUD操作。在进行add,set,remove等可变操作的时候，都会先新建一个数组把更新的值赋给该数组，然后再传递给上面的array数组来保持该次操作的可见性。这也是CopyOnWriteArrayList命名的由来。这一般需要很大的开销，但是当遍历操作的数量大大超过可变操作的数量时，即在进行读操作时的效率要远远高于写或是修改操作，这种方法可能比其他替代方法更 有效。
CopyOnWriteArrayList的线程安全实现：我们能看到是通过一个全局的Lock和volatile修饰的array来实现的。在进行add,remove,set等可变操作的时候通过赋值给array我们总能保证该变量的内存可见性，其他的线程每次总能读到最新的array变量；同样在每次进行add,remove,set等可变操作时候都会在操作的一开始加入独占锁，操作结束释放锁，以保证本次操作的安全性。
下面我们就上述分析来看一下他的部分源码：
public void add(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock; //加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
if (index > len || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+len);
Object[] newElements;
int numMoved = len - index;
if (numMoved == 0)
//如果是在最后一个位置增加就把该数组赋值一份然后新增一个长度
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
//否则新建数组，然后将"volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组"。
newElements = new Object[len + 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,numMoved);
}
newElements[index] = element;
setArray(newElements); //拷贝
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = l.lock;//加锁
lock.lock();
try {
rangeCheck(index);
checkForComodification();
E x = l.set(index+offset, element);
expectedArray = l.getArray();//拷贝
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock; //加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
// 如果被删除的是最后一个元素，则直接通过Arrays.copyOf()进行处理，而不需要新建数组。
if (numMoved == 0)
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
// 否则，新建数组，然后将"volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组"。
else {
Object[] newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,numMoved);
setArray(newElements); //拷贝
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}由上面源码部分我们可以看到CopyOnWriteArrayList在修改原数组的过程中比ArrayList多做了2件事：
1、加锁：保证我在修改数组的时候，其他人不能修改。
2、拷贝数组：无论是哪个方法，发现都需要拷贝数组。
上面的两件事就确保了CopyOnWriteArrayList在多线程的环境下可以应对自如。
我们再来看一下他的迭代器的实现：
public Iterator<E> iterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}我们看到迭代器里面调用了COWIterator这个类，下面来看一下他的源码：
private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
/** Snapshot of the array */
private final Object[] snapshot;
/** Index of element to be returned by subsequent call to next. */
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = elements;
}
public boolean hasNext() {
return cursor < snapshot.length;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor > 0;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
if (! hasNext())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[cursor++];
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
if (! hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[--cursor];
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor-1;
}
//不支持remove方法
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//不支持set方法
public void set(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//不支持add方法
public void add(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}我们可以看到COWSubListIterator不支持修改元素的操作。例如，对于remove(),set(),add()等操作，COWSubListIterator都会抛出异常！
CopyOnWriteArrayList的迭代器并不是快速失败的，也就是说并不会抛出ConcurrentModificationException异常。这是因为他在修改的时候，是针对与拷贝数组而言的，对于原数组没有任何影响。我们可以看出迭代器里面没有锁机制，所以只提供读取，而不支持添加修改和删除（抛出UnsupportedOperationExcetion）。
CopyOnWriteArrayList使用示例
上面我们具体的分析了CopyOnWriteArrayList的线程安全机制和实现机制，我们再来就他的使用做一个相应的说明：
public class TestCopyOnWriteArrayList {
// fixme: 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) {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(20);
for(int i=0;i<100;i++){
executor.execute(new TestList("aa"));
}
}
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 TestList extends Thread {
TestList(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
String val = Thread.currentThread().getName();
list.add(val);
printAll();
}
}
}运行上程序，当list是ArrayList对象时，程序会出错，报出java.util.ConcurrentModificationException类型异常；当使用CopyOnWriteArrayList对象时，程序可以完成iterator遍历操作。
