CopyOnWriteArrayList源码分析
基于jdk1.7源码
一、无锁容器
CopyOnWriteArrayList是JDK5中添加的新的容器，除此之外，还有CopyOnWriteArraySet、ConcurrentHahshMap和ConcurrentLinkedQueue等，它们都是无锁容器。
所谓无锁，就是不需要使用对象内置锁(synchronized)或显示加锁(Lock),而是抛弃锁机制而使用其它一些策略来保证线程安全。
这些无锁容器背后的通用策略是：对容器的修改可以与读取操作同时发生，只要读取者只能看完成修改的结果即可。修改是在容器数据结构的某个部分的一个单独的副本(有时是整个数据结构的副本)上执行的，并且这个副本在修改过程中是不可视的。只有当修改完成时，被修改的结构才会自动地与主数据结构进行交换，之后读取者就可以看到这个修改了。
——from《java编程思想》p755
二、源码分析
类声明
public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
属性
/** The lock protecting all mutators */ /** 重入锁*/ transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); /** The array, accessed only via getArray/setArray. */ /** 数组，只能通过getArray/setArray访问*/ private volatile transient Object[] array;
构造器
/** * 构造器(构造一个空的数组) */ public CopyOnWriteArrayList() { setArray(new Object[0]); } /** * 构造器(使用指定的容器来创建，按照原容器中元素的顺序)。 */ public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) { Object[] elements = c.toArray(); // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652) if (elements.getClass() != Object[].class) elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class); setArray(elements); } /** * 构造器(创建给定数组的拷贝) */ public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) { setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class)); }
CopyOnWriteArrayList在创建时，并没有默认容量，这点跟ArrayList不同。
get方法
public E get(int index) { return get(getArray(), index); } final Object[] getArray() { return array; }
读操作没有进行同步，因为CopyOnWriteArrayList的读和写分离。
add方法
public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; //使用重入锁加锁 lock.lock(); try { //现有数组 Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; //创建新数组，并扩容1，用现有数组元素来填充(末尾为空) Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //将当前元素添加到数组尾部(在新数组上操作) newElements[len] = e; setArray(newElements); return true; } finally { //释放锁 lock.unlock(); } }
remove方法
public boolean remove(Object o) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; if (len != 0) { // Copy while searching for element to remove // This wins in the normal case of element being present int newlen = len - 1;//新数组长度比原来少1 //构建新数组 Object[] newElements = new Object[newlen]; //遍历查找现有数组【不包含末位元素】 for (int i = 0; i < newlen; ++i) { //若存在 if (eq(o, elements[i])) { // found one; copy remaining and exit //将待删除元素o的后续所有元素拷贝到新数组中【拷贝o后面所有元素】 for (int k = i + 1; k < len; ++k) newElements[k-1] = elements[k]; setArray(newElements); return true; } else //当前不是要找的目标元素o，顺便将元素拷贝到新数组中【多次循环累计的这个操作相当于拷贝目标元素之前位置的所有元素】 //【由此说明，即使不存在目标元素，依然要做拷贝现有数组的操作】 newElements[i] = elements[i]; } // special handling for last cell //【末位元素单独处理】 //如果末位元素是目标元素。此时，该拷贝的元素都已拷贝到新数组中，直接setArray(newElements) if (eq(o, elements[newlen])) { setArray(newElements); return true; } //如果末位元素仍然不是目标元素，说明不存在目标元素。 //因为没有setArray(newElements),所以原数组依旧是原数组。 } //现有元素数组为空，直接返回false return false; } finally { lock.unlock(); } }
迭代器
public Iterator<E> iterator() { return new COWIterator<E>(getArray(), 0); } private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> { //快照数组 private final Object[] snapshot; 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; } /** * 迭代器不支持remove/set/add方法。 */ public void remove() { throw new UnsupportedOperationException(); } public void set(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } public void add(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } }
总结
1.CopyOnWriteArrayList的工作原理？
CopyOnWriteArrayList在做修改操作时，每次都是重新创建一个新的数组，在新数组上操作，最终再将新数组替换掉原数组。因此，在做修改操作时，仍可以做读取操作，读取直接操作的原数组。读和写操作的目标都不同，因此读操作和写操作互不干扰，只有写与写之间需要进行同步等待。另外，原数组被声明为volatile，这就保证了，一旦数组发生变化，则结果对其它线程(读线程和其它写线程)是可见的。
2.CopyOnWriteArrayList适合的应用场景？
正是由于每次修改都会创建新数组，内存中都要同时存有原数组和新数组，同时也要将元素拷贝到新数组中，内存开销大，所以CopyOnWriteArrayList只适合于读多写少的场景。
比如某些系统级别的信息，往往只是需要加载或者修改很少的次数，但是会被系统内所有模块频繁的访问，对于这种场景，我们最希望看到的就是读操作尽可能地快，而写即使慢一些也没太大关系。
3.CopyOnWriteArrayList能否像ArrayList一样支持fail-fast？
CopyOnWriteArrayList并不支持fail-fast机制，所以不会抛出ConcurrentModificationException，也不必编写特殊的代码去防范这种异常。
4.CopyOnWriteArrayList的扩容
CopyOnWriteArrayList并不像ArrayList一样指定默认的初始容量。它也没有自动扩容的机制，而是添加几个元素，长度就相应的增长多少。
①因为CopyOnWriteArrayList适用于读多写少，既然是写的情况少，则不需要频繁扩容。
②修改操作每次在生成新的数组时就指定了新的容量，也就相当于扩容了，所以不需要额外的机制来实现扩容。
