浅析CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList引入
模拟传统的ArrayList出现线程不安全的现象
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) {
//List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
List<String> list = new ArrayList<>();
//开启50个线程往ArrayList中添加数据
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
new Thread(() -> {
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 5));
System.out.println(list);
}, String.valueOf(i)).start();
}
}
}
运行结果如下：由于fail-fast机制的存在，抛出了modcount修改异常的错误(modcount是ArrayList源码中的一个变量，用来表示修改的次数，因为ArrayList不是为并发情况而设计的集合类）
如何解决该问题呢？
方式一：可以使用Vector集合，Vector集合是线程安全版的ArrayList，其方法都上了一层synchronized进行修饰，采取jvm内置锁来保证其并发情况下的原子性、可见性、有序性。但同时也带来了性能问题，因为synchronized一旦膨胀到重量级锁，存在用户态到和心态的一个转变，多线程的上下文切换会带来开销。另一个问题是Vector集合的扩容没有ArrayList的策略好
List<String> list = new Vector<>();
方式二：使用Collections.synchronizedList
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
方式三：采用JUC提供的并发容器，CopyOnWriteArrayList
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
CopyOnWriteArrayList浅析
和ArrayList一样，其底层数据结构也是数组，加上transient不让其被序列化，加上volatile修饰来保证多线程下的其可见性和有序性
先来看看其构造函数是怎么一回事
public CopyOnWriteArrayList() {
//默认创建一个大小为0的数组
setArray(new Object[0]);
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] elements;
//如果当前集合是CopyOnWriteArrayList的类型的话，直接赋值给它
if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
else {
//否则调用toArra()将其转为数组
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);
}
//设置数组
setArray(elements);
}
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
//将传进来的数组元素拷贝给当前数组
setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}
在来看看其读数据的几个操作,可见都没上锁，这就奇怪了，那如何去保证线程安全呢？
final Object[] getArray() {
return array;
}
public int size() {
return getArray().length;
}
public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
}
public int indexOf(E e, int index) {
Object[] elements = getArray();
return indexOf(e, elements, index, elements.length);
}
public int lastIndexOf(Object o) {
Object[] elements = getArray();
return lastIndexOf(o, elements, elements.length - 1);
}
........
在来看看其修改时的add函数
public boolean add(E e) {
//使用ReentrantLock上锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//调用getArray()获取原来的数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//复制老数组，得到一个长度+1的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//添加元素，在用setArray()函数替换原数组
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
可见其修改操作是基于fail-safe机制，像我们的String一样，不在原来的对象上直接进行操作，而是复制一份对其进行修改，另外此处的修改操作是利用Lock锁进行上锁的，所以保证了线程安全问题。
在来看看remove操作,看是不是如此做的
public boolean remove(Object o) {
Object[] snapshot = getArray();
int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);
return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
}
private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//上锁
lock.lock();
try {
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
if (snapshot != current) findIndex: {
int prefix = Math.min(index, len);
for (int i = 0; i < prefix; i++) {
if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {
index = i;
break findIndex;
}
}
if (index >= len)
return false;
if (current[index] == o)
break findIndex;
index = indexOf(o, current, index, len);
if (index < 0)
return false;
}
//复制一个数组
Object[] newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(current, index + 1,
newElements, index,
len - index - 1);
//替换原数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
可见其思路是一致的，我们在与ArrayList去对比一下，可见其效率比ArrayList低不少，毕竟多线程场景下，其每次都是要在原数组基础上复制一份在操作耗内存和时间，而ArrayList只是容量满了进行扩容，因此在非多线程的场景下还是用ArrayList吧。
这也解决了我之前的疑问，为啥还学ArrayList呢，JUC版的CopyOnWriteArrayList可以干ArrayList干不了的事，咱们直接用CopyOnWriteArrayList不也挺香。
小结
- CopyOnWriteArrayList适合于多线程场景下使用，其采用读写分离的思想，读操作不上锁，写操作上锁，且写操作效率较低
- CopyOnWriteArrayList基于fail-safe机制，每次修改都会在原先基础上复制一份，修改完毕后在进行替换
- CopyOnWriteArrayList采用的是ReentrantLock进行上锁。
