CopyOnWriteArrayList与Collections.synchronizedList的性能对比

http://blog.csdn.net/zljjava/article/details/48139465


列表实现有ArrayList、Vector、CopyOnWriteArrayList、Collections.synchronizedList(list)四种方式。

1 ArrayList

        ArrayList是非线性安全，此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的：在创建迭代器之后，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改，否则在任何时间以任何方式对列表进行修改，迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。即在一方在便利列表，而另一方在修改列表时，会报ConcurrentModificationException错误。而这不是唯一的并发时容易发生的错误，在多线程进行插入操作时，由于没有进行同步操作，容易丢失数据。

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  1. public boolean add(E e) {  
  2. ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!  
  3. elementData[size++] = e;//使用了size++操作，会产生多线程数据丢失问题。  
  4. return true;  
  5.    }  
        因此，在开发过程当中，ArrayList并不适用于多线程的操作。

2 Vector

        从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，采用数组实现。其线程安全的实现方式是对所有操作都加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了，Stackoverflow当中有这样的描述：Why is Java Vector class considered obsolete or deprecated?。

3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList

       CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现，其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下，应该选择不同的多线程安全实现类。

3.1 Collections.synchronizedList

        Collections.synchronizedList的源码可知，其实现线程安全的方式是建立了list的包装类，代码如下：
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  1. public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {  
  2. return (list instanceof RandomAccess ?  
  3.                new SynchronizedRandomAccessList<T>(list) :  
  4.                new SynchronizedList<T>(list));//根据不同的list类型最终实现不同的包装类。  
  5.    }  
其中，SynchronizedList对部分操作加上了synchronized关键字以保证线程安全。但其iterator()操作还不是线程安全的。部分SynchronizedList的代码如下：
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  1. public E get(int index) {  
  2.         synchronized(mutex) {return list.get(index);}  
  3.         }  
  4.     public E set(int index, E element) {  
  5.         synchronized(mutex) {return list.set(index, element);}  
  6.         }  
  7.     public void add(int index, E element) {  
  8.         synchronized(mutex) {list.add(index, element);}  
  9.         }  
  10.     public ListIterator<E> listIterator() {  
  11.         return list.listIterator(); // Must be manually synched by user 需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException  
  12.         }  
  13.   
  14.     public ListIterator<E> listIterator(int index) {  
  15.         return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException</span>  
  16.         }  

3.2 CopyOnWriteArrayList

        从字面可以知道，CopyOnWriteArrayList在线程对其进行些操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段。其写操作的代码如下：
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  1. /** The lock protecting all mutators */  
  2.     transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  
  3.   
  4.     /** The array, accessed only via getArray/setArray. */  
  5.     private volatile transient Object[] array;//保证了线程的可见性  
  6.       
  7.      public boolean add(E e) {  
  8.     final ReentrantLock lock = this.lock;//ReentrantLock 保证了线程的可见性和顺序性，即保证了多线程安全。  
  9.     lock.lock();  
  10.     try {  
  11.         Object[] elements = getArray();  
  12.         int len = elements.length;  
  13.         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//在原先数组基础之上新建长度＋1的数组，并将原先数组当中的内容拷贝到新数组当中。  
  14.         newElements[len] = e;//设值  
  15.         setArray(newElements);//对新数组进行赋值  
  16.         return true;  
  17.     } finally {  
  18.         lock.unlock();  
  19.     }  
  20.     }  
        其读操作代码如下：
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  1. public E get(int index) {  
  2.        return (E)(getArray()[index]);  
  3.    }  
        其没有加任何同步关键字，根据以上写操作的代码可知，其每次写操作都会进行一次数组复制操作，然后对新复制的数组进行些操作，不可能存在在同时又读写操作在同一个数组上（不是同一个对象），而读操作并没有对数组修改，不会产生线程安全问题。Java中两个不同的引用指向同一个对象，当第一个引用指向另外一个对象时，第二个引用还将保持原来的对象。
        其中setArray()操作仅仅是对array进行引用赋值。Java中“=”操作只是将引用和某个对象关联，假如同时有一个线程将引用指向另外一个对象，一个线程获取这个引用指向的对象，那么他们之间不会发生ConcurrentModificationException，他们是在虚拟机层面阻塞的，而且速度非常快，是一个原子操作，几乎不需要CPU时间。

        在列表有更新时直接将原有的列表复制一份，并再新的列表上进行更新操作，完成后再将引用移到新的列表上。旧列表如果仍在使用中(比如遍历)则继续有效。如此一来就不会出现修改了正在使用的对象的情况(读和写分别发生在两个对象上)，同时读操作也不必等待写操作的完成，免去了锁的使用加快了读取速度。

3.3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList在读写操作上的差距

        测试代码：
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  1. package com.yang.test;  
  2.   
  3. import org.junit.Test;  
  4.   
  5. import java.util.*;  
  6. import java.util.concurrent.*;  
  7.   
  8. /** 
  9.  * Created with IntelliJ IDEA. 
  10.  * User: yangzl2008 
  11.  * Date: 14-9-18 
  12.  * Time: 下午8:36 
  13.  * To change this template use File | Settings | File Templates. 
  14.  */  
  15. public class Test02 {  
  16.   
  17.     private int NUM = 10000;  
  18.     private int THREAD_COUNT = 16;  
  19.   
  20.     @Test  
  21.     public void testAdd() throws Exception {  
  22.         List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();  
  23.         List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());  
  24.         Vector<Integer> v  = new Vector<Integer>();  
  25.   
  26.         CountDownLatch add_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);  
  27.         ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);  
  28.   
  29.         int add_copyCostTime = 0;  
  30.         int add_synchCostTime = 0;  
  31.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
  32.             add_copyCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list1, add_countDownLatch)).get();  
  33.         }  
  34.         System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + add_copyCostTime);  
  35.   
  36.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
  37.             add_synchCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list2, add_countDownLatch)).get();  
  38.         }  
  39.         System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + add_synchCostTime);  
  40.   
  41.   
  42.     }  
  43.   
  44.     @Test  
  45.     public void testGet() throws Exception {  
  46.         List<Integer> list = initList();  
  47.   
  48.         List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(list);  
  49.         List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(list);  
  50.   
  51.         int get_copyCostTime = 0;  
  52.         int get_synchCostTime = 0;  
  53.         ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);  
  54.         CountDownLatch get_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);  
  55.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
  56.             get_copyCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list1, get_countDownLatch)).get();  
  57.         }  
  58.         System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + get_copyCostTime);  
  59.   
  60.         for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {  
  61.             get_synchCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list2, get_countDownLatch)).get();  
  62.         }  
  63.         System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + get_synchCostTime);  
  64.   
  65.     }  
  66.   
  67.   
  68.     private List<Integer> initList() {  
  69.         List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();  
  70.         int num = new Random().nextInt(1000);  
  71.         for (int i = 0; i < NUM; i++) {  
  72.             list.add(num);  
  73.         }  
  74.         return list;  
  75.     }  
  76.   
  77.     class AddTestTask implements Callable<Integer> {  
  78.         List<Integer> list;  
  79.         CountDownLatch countDownLatch;  
  80.   
  81.         AddTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {  
  82.             this.list = list;  
  83.             this.countDownLatch = countDownLatch;  
  84.         }  
  85.   
  86.         @Override  
  87.         public Integer call() throws Exception {  
  88.             int num = new Random().nextInt(1000);  
  89.             long start = System.currentTimeMillis();  
  90.             for (int i = 0; i < NUM; i++) {  
  91.                 list.add(num);  
  92.             }  
  93.             long end = System.currentTimeMillis();  
  94.             countDownLatch.countDown();  
  95.             return (int) (end - start);  
  96.         }  
  97.     }  
  98.   
  99.     class GetTestTask implements Callable<Integer> {  
  100.         List<Integer> list;  
  101.         CountDownLatch countDownLatch;  
  102.   
  103.         GetTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {  
  104.             this.list = list;  
  105.             this.countDownLatch = countDownLatch;  
  106.         }  
  107.   
  108.         @Override  
  109.         public Integer call() throws Exception {  
  110.             int pos = new Random().nextInt(NUM);  
  111.             long start = System.currentTimeMillis();  
  112.             for (int i = 0; i < NUM; i++) {  
  113.                 list.get(pos);  
  114.             }  
  115.             long end = System.currentTimeMillis();  
  116.             countDownLatch.countDown();  
  117.             return (int) (end - start);  
  118.         }  
  119.     }  
  120. }  
操作结果：
  写操作 读操作
  CopyOnWriteArrayList  Collections.
synchronizedList		 CopyOnWriteArrayList  Collections.
synchronizedList
2 567 2 1 1
4 3088 3 2 2
8 25975 28 2 3
16 295936 44 2 6
32 － － 3 8
64 － － 7 21
128 － － 9 38
        写操作：在线程数目增加时CopyOnWriteArrayList的写操作性能下降非常严重，而Collections.synchronizedList虽然有性能的降低，但下降并不明显。
        读操作：在多线程进行读时，Collections.synchronizedList和CopyOnWriteArrayList均有性能的降低，但是Collections.synchronizedList的性能降低更加显著。

4 结论

        CopyOnWriteArrayList，发生修改时候做copy，新老版本分离，保证读的高性能，适用于以读为主，读操作远远大于写操作的场景中使用，比如缓存。而Collections.synchronizedList则可以用在CopyOnWriteArrayList不适用，但是有需要同步列表的地方，读写操作都比较均匀的地方。

posted on 2016-04-04 16:50  长456风  阅读(2358)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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