ArrayList和CopyOnWriteArrayList
这篇文章的目的如下：
- 了解一下ArrayList和CopyOnWriteArrayList的增删改查实现原理
- 看看为什么说ArrayList查询快而增删慢？
- CopyOnWriteArrayList为什么并发安全且性能比Vector好
1. List接口
首先我们来看看List接口，因为ArrayList和CopyOnWriteArrayList都是实现了List接口，我们今天主要是研究增删改查原理，所以只看相应的方法即可。
public interface List<E> extends Collection<E> {
int size();
boolean isEmpty();
boolean contains(Object o);
Iterator<E> iterator();
Object[] toArray();
<T> T[] toArray(T[] a);
boolean add(E e);
boolean remove(Object o);
boolean containsAll(Collection<?> c);
boolean addAll(Collection<? extends E> c);
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c);
boolean removeAll(Collection<?> c);
boolean retainAll(Collection<?> c);
void clear();
boolean equals(Object o);
int hashCode();
E get(int index);
E set(int index, E element);
void add(int index, E element);
E remove(int index);
int indexOf(Object o);
int lastIndexOf(Object o);
ListIterator<E> listIterator();
ListIterator<E> listIterator(int index);
List<E> subList(int fromIndex, int toIndex);
}
2 ArrayList
2.1 几个重点
- 底层是数组，初始大小为10
- 插入时会判断数组容量是否足够，不够的话会进行扩容
- 所谓扩容就是新建一个新的数组，然后将老的数据里面的元素复制到新的数组里面
- 移除元素的时候也涉及到数组中元素的移动，删除指定index位置的元素，然后将index+1至数组最后一个元素往前移动一个格
2.2 增删改查
1）增
public boolean add(E e) {
//进行数组容量判断，不够就扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
public void add(int index, E element) {
//检查是否会越界
rangeCheckForAdd(index);
//进行数组容量判断，不够就扩容
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
//将index至数据最后一个元素整体往后移动一格，然后插入新的元素
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
2）删
public E remove(int index) {
//判断是否越界
rangeCheck(index);
modCount++;
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
//若该元素不是最后一个元素的话，将index+1至数组最后一个元素整体向前移动一格
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
return oldValue;
}
3）改
public E set(int index, E element) {
rangeCheck(index);
E oldValue = elementData(index);
elementData[index] = element;
return oldValue;
}
逻辑很简单，将数组对应index的元素进行替换
4）查
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {return (E) elementData[index]; }
逻辑很简单，进行数组越界判断，获取数组对应index的元素
2.3 总结
以上部分就是ArrayList的增删改查原理，以此也可以解答我们第二个问题了，ArrayList的底层是数组，所以查询的时候直接根据索引可以很快找到对应的元素，改也是如此，找到index对应元素进行替换。而增加和删除就涉及到数组元素的移动，所以会比较慢。
3 CopyOnWriteArrayList
3.1 几个要点
- 实现了List接口
- 内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
- 底层是用volatile transient声明的数组 array
- 读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array
3.2 增删改查
1）增
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//复制一个新的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//插入新值
newElements[len] = e;
//将新的数组指向原来的引用
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
public void add(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
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)
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
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);
} finally {
lock.unlock();
}
}
2）删
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
//如果删除的元素是最后一个，直接复制该元素前的所有元素到新的数组
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
//创建新的数组
Object[] newElements = new Object[len - 1];
//将index+1至最后一个元素向前移动一格
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}
3）改
public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
E oldValue = get(elements, index);
if (oldValue != element) {
int len = elements.length;
//创建新数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
//替换元素
newElements[index] = element;
//将新数组指向原来的引用
setArray(newElements);
} else {
// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
setArray(elements);
}
return oldValue;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
4）查
//直接获取index对应的元素
public E get(int index) {return get(getArray(), index);}
private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}
3.3 总结
从以上的增删改查中我们可以发现，增删改都需要获得锁，并且锁只有一把，而读操作不需要获得锁，支持并发。为什么增删改中都需要创建一个新的数组，操作完成之后再赋给原来的引用？这是为了保证get的时候都能获取到元素，如果在增删改过程直接修改原来的数组，可能会造成执行读操作获取不到数据。
4 CopyOnWriteArrayList为什么并发安全且性能比Vector好
我知道Vector是增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况。
