线程安全的CopyOnWriteArrayList与CopyOnWriteArraySet
概述
ArrayList不是线程安全的，所以如果需要保证ArrayList在多线程环境下的线程安全，即保证读的线程可见性和写的数据一致性，可以使用synchronized或者ReentrantLock对ArrayList的读写进行同步，或者使用Collections.syncrhonizedList来将ArrayList包装成SynchronizedList。
由于以上方法对读写都需要加锁，一定程度上影响了读写操作的并发性能和吞吐量，不过如果读写操作的频率不确定，即读写都可能非常频繁，则就不得不使用以上方法来保证ArrayList的线程安全性。
如果存在以读为主，写非常少，基本不存在写操作，如添加元素，删除元素等，则可以考虑使用CopyOnWriteArrayList。这是一个线程安全版本的ArrayList，由命名可以知道，CopyOnWriteArrayList在写操作的时候，包括添加，删除元素等，会新建一个列表，然后将当前列表拷贝拷贝到这个新列表，最后使用这个新列表替换旧列表。
CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList底层也是使用一个数组来存放数据的，在读写方法，读操作是不加锁的，写操作需要使用一个ReentrantLock来加锁，从而对多个写线程进行同步，同时底层数组也是使用volatile修饰的，则保证了读写线程之间的可见性。除此之外，CopyOnWriteArrayList的迭代器不是fail-fast的，即写操作不会影响迭代器的数据遍历。
/ get不加锁，set加锁新建一个array替换原来的； // 迭代器保存array的快照，不是fail-fast； // subList与主类共享array，读写均需加锁，写不新建一个array替换原来的，而是通过加锁来包装线程安全 public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L; // 写操作加锁 /** The lock protecting all mutators */ final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // volatile，保证线程之间的可见性 /** The array, accessed only via getArray/setArray. */ private transient volatile Object[] array; ... }
读操作
以下以get操作为例，分析以下读操作：读操作是直接从内部存放数据的数组读取数据的，不需要加锁。
public E get(int index) { return get(getArray(), index); } final Object[] getArray() { return array; } private E get(Object[] a, int index) { return (E) a[index]; }
迭代器
ArrayList的迭代器是fail-fast的，即如果一个线程在通过ArrayList的迭代器遍历列表数据时，如果其他线程修改了该列表，则该迭代器线程会抛ConcurrentModifyException的异常。而CopyOnWriteArrayList的迭代器是不受其他线程并发修改的影响的。
CopyOnWriteArrayList在返回一个迭代器的时候，会基于创建这个迭代器的时候，内部数组所拥有的数据，创建一个该内部数组当前的快照，然后迭代器遍历的是该快照，而不是内部的数组。所以这种实现方式也存在一定的数据延迟性，即对其他线程并行添加的数据不可见。不过CopyOnWriteArrayList是基于写操作很少或者基本没有的场景的，所以这种实现方法在这种假设下可行。
因为迭代器遍历的是内部数组的快照副本，故与ArrayList的迭代器不同的是，CopyOnWriteArrayList的迭代器是不支持写操作的，如添加，删除数据等。
public Iterator<E> iterator() { return new COWIterator<E>(getArray(), 0); } // 迭代器会创建一个底层array的快照，故主类的修改不影响该快照 static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> { // 内部数组快照 /** Snapshot of the array */ private final Object[] snapshot; ... private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) { cursor = initialCursor; snapshot = elements; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { if (! hasNext()) throw new NoSuchElementException(); // 访问快照 return (E) snapshot[cursor++]; } ... // 不支持写操作 public void remove() { throw new UnsupportedOperationException(); } ... }
写操作
写操作是需要通过ReentrantLock这个互斥锁来进行加锁的，然后会创建一个新的数组来替换原来的数组。由于写操作很少，所以对于添加元素，新数组大小递增1，这个与ArrayList的每次扩容为原来的1.5倍是不一样的。对于删除元素，新数组大小递减1。如下为add方法的实现：
public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; // 加互斥锁 lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; // 新数组大小比原来数组多一个 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 在新数组末尾添加该元素 newElements[len] = e; // 新数组替换旧数组 setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }
子列表COWSubList
CopyOnWriteArrayList的子列表与COWSubList与ArrayList的子列表一样，内部使用的也是父列表的数组，主要是通过传递父列表引用给COWSubList，在COWSubList内部的读写操作是通过父列表来完成的，其中读写操作均需要使用lock加锁。
CopyOnWriteArrayList的subList返回子数组：
public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; if (fromIndex < 0 || toIndex > len || fromIndex > toIndex) throw new IndexOutOfBoundsException(); // 传递this，即父列表引用，给COWSubList return new COWSubList<E>(this, fromIndex, toIndex); } finally { lock.unlock(); } } COWSubList的定义如下：读写操作均需要使用父列表的lock加锁： private static class COWSubList<E> extends AbstractList<E> implements RandomAccess { // l为父列表引用 private final CopyOnWriteArrayList<E> l; private final int offset; private int size; private Object[] expectedArray; // only call this holding l's lock COWSubList(CopyOnWriteArrayList<E> list, int fromIndex, int toIndex) { l = list; expectedArray = l.getArray(); offset = fromIndex; size = toIndex - fromIndex; } ... // 读取 public E get(int index) { final ReentrantLock lock = l.lock; lock.lock(); try { rangeCheck(index); checkForComodification(); return l.get(index+offset); } finally { lock.unlock(); } } // 添加元素 public void add(int index, E element) { final ReentrantLock lock = l.lock; lock.lock(); try { checkForComodification(); if (index < 0 || index > size) throw new IndexOutOfBoundsException(); // l为父列表引用 l.add(index+offset, element); expectedArray = l.getArray(); size++; } finally { lock.unlock(); } } ... }
CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySet是基于CopyOnWriteArrayList实现的一个Set集合，内部不包含重复元素，也是线程安全的。
CopyOnWriteArraySet的定义如下：内部包含一个CopyOnWriteArrayList引用，而不是继承于CopyOnWriteArrayList来实现。
public class CopyOnWriteArraySet<E> extends AbstractSet<E> implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 5457747651344034263L; private final CopyOnWriteArrayList<E> al; /** * Creates an empty set. */ public CopyOnWriteArraySet() { al = new CopyOnWriteArrayList<E>(); }
CopyOnWriteArraySet的核心实现为add添加元素时，避免元素重复，同时需要考虑多线程同时添加的问题。主要是基于CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent实现：
public boolean add(E e) { return al.addIfAbsent(e); }
CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent实现如下：主要通过加锁成功之后，再次获取底层数组来判断是否需要添加，因为加锁成功后，只有当前线程可以访问这个底层数组，同时由于数组为volatile的，故可以保证多线程的可见性。
public boolean addIfAbsent(E e) { Object[] snapshot = getArray(); // 此处可能两个线程同时调用indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length)，存在并发问题， // 故在addIfAbsent(e, snapshot)里面需要处理这种并发问题 return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false : addIfAbsent(e, snapshot); } /** * A version of addIfAbsent using the strong hint that given * recent snapshot does not contain e. */ private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { // 获取锁的情况下，再次获取一次底层array，避免两个线程同时修改，前一线程添加了， // 后一线程重复添加，故需要获取前一线程操作的结果 Object[] current = getArray(); int len = current.length; // 如果快照和array不是同一个了，说明其他线程并发修改过了 if (snapshot != current) { // Optimize for lost race to another addXXX operation int common = Math.min(snapshot.length, len); for (int i = 0; i < common; i++) // 其他线程添加过了e，即通过set在原来数组的某个位置替换添加的，则该线程直接返回了，此时已经存在了 if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i])) return false; // 如果在数组末尾添加过了，则直接返回，此时已经存在了 if (indexOf(e, current, common, len) >= 0) return false; } // copy当前数组，添加元素并将这个心数组替换底层的array Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1); newElements[len] = e; setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }
