java并发容器CopyOnWriteArrayList实现原理及源码分析

时间:2021-05-19

CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器,它是个线程安全且读操作无锁的ArrayList,写操作则通过创建底层数组的新副本来实现,是一种读写分离的并发策略,我们也可以称这种容器为"写时复制器",Java并发包中类似的容器还有CopyOnWriteSet。本文会对CopyOnWriteArrayList的实现原理及源码进行分析。

实现原理

  我们都知道,集合框架中的ArrayList是非线程安全的,Vector虽是线程安全的,但由于简单粗暴的锁同步机制,性能较差。而CopyOnWriteArrayList则提供了另一种不同的并发处理策略(当然是针对特定的并发场景)。

  很多时候,我们的系统应对的都是读多写少的并发场景。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读,读操作是无锁的,性能较高。至于写操作,比如向容器中添加一个元素,则首先将当前容器复制一份,然后在新副本上执行写操作,结束之后再将原容器的引用指向新容器。

  优缺点分析

  了解了CopyOnWriteArrayList的实现原理,分析它的优缺点及使用场景就很容易了。

  优点:

  读操作性能很高,因为无需任何同步措施,比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时,若中途有别的线程对list容器进行修改,则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想,遍历和修改操作分别作用在不同的list容器,所以在使用迭代器进行遍历时候,也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了

  缺点:

  缺点也很明显,一是内存占用问题,毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份,数据量大时,对内存压力较大,可能会引起频繁GC;二是无法保证实时性,Vector对于读写操作均加锁同步,可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因,写和读分别作用在新老不同容器上,在写操作执行过程中,读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。

源码分析

  基本原理了解了,CopyOnWriteArrayList的代码实现看起来就很容易理解了。

public boolean add(E e) { //ReentrantLock加锁,保证线程安全 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; //拷贝原容器,长度为原容器长度加一 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //在新副本上执行添加操作 newElements[len] = e; //将原容器引用指向新副本 setArray(newElements); return true; } finally { //解锁 lock.unlock(); } }

  添加的逻辑很简单,先将原容器copy一份,然后在新副本上执行写操作,之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。

  删除操作

public E remove(int index) { //加锁 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; E oldValue = get(elements, index); int numMoved = len - index - 1; if (numMoved == 0) //如果要删除的是列表末端数据,拷贝前len-1个数据到新副本上,再切换引用 setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); else { //否则,将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中,并切换引用 Object[] newElements = new Object[len - 1]; System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved); setArray(newElements); } return oldValue; } finally { //解锁 lock.unlock(); } }

  删除操作同理,将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中,然后切换引用,将原容器引用指向新副本。同属写操作,需要加锁。

  我们再来看看读操作,CopyOnWriteArrayList的读操作是不用加锁的,性能很高。

public E get(int index) { return get(getArray(), index); }  直接读取即可,无需加锁 private E get(Object[] a, int index) { return (E) a[index]; }

总结

  本文对CopyOnWriteArrayList的实现原理和源码进行了分析,并对CopyOnWriteArrayList的优缺点也进行了分析(Java并发包中还提供了CopyOnWriteSet,原理类似)。其实所谓并发容器的优缺点,无非是取决于我们在面对特定并发场景时,是否能做出相对合理的选择和应用。也希望本文能帮助到有需要的童鞋,共勉。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。

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