java并发编程笔记--CopyOnWriteArrayList
1 描述 1） CopyOnWriteArrayList是List的一种线程安全的实现；2） 其实现原理采用”CopyOnWrite”的思路（不可变元素），即所有写操作，包括：add，remove，set等都会触发底层数组的拷贝，从而在写操作过程中，不会影响读操作；避免了使用synchronized等进行读写操作的线程同步；3） CopyOnWrite对于写操作来说代价很大，故不适合于写操作很多的场景；当遍历操作远远多于写操作的时候，适合使用CopyOnWriteArrayList；4） 迭代器以”快照”方式实现，在迭代器创建时，引用指向List当前状态的底层数组，所以在迭代器使用的整个生命周期中，其内部数据不会被改变；并且集合在遍历过程中进行修改，也不会抛出ConcurrentModificationException；迭代器在遍历过程中，不会感知集合的add，remove，set等操作；5） 因为迭代器指向的是底层数组的”快照”，因此也不支持对迭代器本身的修改操作，包括add，remove，set等操作，如果使用这些操作，将会抛出UnsupportedOperationException；6） 相关Happens-Before规则：一个线程将元素放入集合的操作happens-before于其它线程访问/删除该元素的操作； 2 类图 主要角色：1） Iterable接口：定义创建迭代器操作，赋予实现类创建迭代器的能力；2） Collection接口：定义集合基本操作，所有集合类都需实现该接口；3） List接口：定义列表基本操作，所有列表类都需要实现该接口；4） Serializable接口：标记接口，允许对象序列化；5） Cloneable接口：标记接口，允许对象被克隆，如果类没有实现Cloneable接口，调用类对象的clone方法抛出CloneNotSupportedException；6） RandomAccess接口：标记接口，用来表明其支持快速（通常是固定时间）随机访问（比如：ArrayList支持快速随机访问，所以使用普通遍历方式效率更高；而LinkedList则更适合顺序访问，所以使用迭代器的方式效率更高）；JDK中推荐的是对List集合尽量要实现RandomAccess接口；7） COWIterator：CopyOnWriteArrayList对应的迭代器；不支持写操作，当调用写操作时，将抛出UnsupportedOperationException异常；8） COWSubList：调用subList方法时，CopyOnWriteArrayList对应的子列表对象，和CopyOnWriteArrayList共享同一个array对象，使用使用offset和size维护对array的位置偏移；且当CopyOnWriteArrayList调用写操作更新array引用时，COWSubList对应的操作会抛出ConcurrentModificationException；9） COWSubListIterator：COWSubList对应的迭代器，底层通过COWIterator实现，使用offset和size维护对array的位置偏移；不支持写操作，当调用写操作时，将抛出UnsupportedOperationException异常； 3 主要实现 3.1 基本属性定义 /** * 互斥锁,用于保护所有修改操作,通过Unsafe进行初始化 */ final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); /** * 存放数据的底层数据结构,只能通过getArray()和setArray()两个方法访问; */ private transient volatile Object[] array; /** * <h2>array属性的getter和setter</h2> * <p>声明为非private类型,以便于CopyOnWriteArraySet访问</p> */ final Object[] getArray() { return array; } final void setArray(Object[] array) { this.array = array; } 1） lock属性：互斥锁，用于控制CopyOnWriteArrayList所有的写操作的同步，以及对应的COWSubList的所有读写操作的同步；2） array属性：Object[]数组，用于存放集合元素的底层数据结构；array只允许CopyOnWriteArrayList定义的getter和setter方法访问；（原因？） 3.2 构造器定义 /** * <h2>初始化array为空数组</h2> */ public CopyOnWriteArrayList() { setArray(new Object[0]); } /** * <h2>将集合参数中的元素作为当前集合对象的元素</h2> */ public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) { Object[] elements; if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class) { elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>) c).getArray(); } else { elements = c.toArray(); //注:c.toArray()可能不一定返回Object[] if (elements.getClass() != Object[].class) { elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class); } } } /** * <h2>将数组参数中的元素作为当前集合对象的元素</h2> */ public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) { //注:传入数组对象并不是传递引用,而是新建一个数组拷贝原有数组 setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class)); } 1） 定义了3个构造函数，第一个构造函数为无参构造函数，默认初始化array为空数组；后两个构造函数分别接收Collection对象和数组对象作为参数，使用参数的元素作为初始化array的元素；2） 使用数组对象作为参数时，需要通过浅拷贝的方式初始化array，而非直接使用数组对象的引用； 3.3 查找元素 @Override public int size() { return getArray().length; } @Override public boolean isEmpty() { return size() == 0; } private static boolean eq(Object o1, Object o2) { return (o1 == null) ? o2 == null : o1.equals(o2); } private static int indexOf(Object o, Object[] elements, int index, int fence) { if (o == null) { for (int i = index; i < fence; i++) { if (elements[i] == null) { return i; } } } else { for (int i = index; i < fence; i++) { if (o.equals(elements[i])) { return i; } } } return -1; } private static int lastIndexOf(Object o, Object[] elements, int index) { if (o == null) { for (int i = index; i >= 0; i--) { if (elements[i] == null) { return i; } } } else { for (int i = index; i >= 0; i--) { if (o.equals(elements[i])) { return i; } } } return -1; } @Override public boolean contains(Object o) { Object[] elements = getArray(); return indexOf(o, elements, 0, elements.length) >= 0; } @Override public int indexOf(Object o) { Object[] elements = getArray(); return indexOf(o, elements, 0, elements.length); } 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); } public int lastIndexOf(E e, int index) { Object[] elements = getArray(); return lastIndexOf(e, elements, index); } 1） CopyOnWriteArrayList的所有读操作都不需要加锁；2） 单个元素的访问，直接通过索引访问底层数组；3） 查找遍历等涉及多个元素的读操作，都会针对array的快照进行，即每次操作开始前使用名为elements的Object[]局部变量存放array当前的引用。在遍历过程中，array发生变化时，遍历操作遍历的依然是原来的快照，从而保证了读操作不需要加锁，写操作也不会发生ConcurrentModificationException异常； 3.4 新增元素 @Override public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); newElements[len] = e; setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } } 1） 所有的新增元素操作都需要使用lock加互斥锁；2） 新增元素需要考虑添加元素的个数（单个/集合），添加元素的位置（末尾/非末尾）； 3.5 更新元素 @Override public E set(int index, E element) { //加锁 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); E oldValue = get(elements, index); //待更新元素不是原来的元素,才执行copyOnWrite if (oldValue != element) { int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len); newElements[index] = element; setArray(newElements); } else { // 注:再次更新引用,为了触发volatile的语义,通知所有线程 setArray(elements); } return oldValue; } finally { //解锁 lock.unlock(); } } 1） 同添加元素操作一样，更新元素也需要使用lock加互斥锁；2） 需要注意的是，即使待更新元素和集合中元素引用相同，也需要执行setArray()操作，以便触发volatile语义，通知所有线程； 3.6 删除元素 @Override public E remove(int index) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; E oldValue = get(elements, index); //计算需要移动的元素个数 int numMoved = len - index - 1; //如果删除元素在数组末尾 if (numMoved == 0) { setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); } else { 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 { lock.unlock(); } } private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] current = getArray(); int len = current.length; //如果此时已经进行过写操作 if (snapshot != current) { //校准索引 FINDINDEX: { //在当前代码获取锁时,有可能len已经小于index,故需要取二者中较小的; int prefix = Math.min(index, len); //情形1:[0,index)区间的元素有删除操作,导致index所指元素前移 for (int i = 0; i < prefix; i++) { //如果元素引用已经替换 if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) { index = i; break FINDINDEX; } } //情形2:当前数组删除元素较多,导致数组长度小于原先index if (index >= len) { return false; } //情形3:[0,index)区间的元素没有删除操作,index所指元素未移动 if (current[index] == o) { break FINDINDEX; } //情形4:[0,index)区间有添加元素操作,导致index所指元素后移,重新定位元素索引 index = indexOf(o, current, index, len); } } Object[] newElements = new Object[len - 1]; System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(current, index + 1, newElements, index, len - index - 1); setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } } @Override public boolean remove(Object o) { Object[] snapshot = getArray(); int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length); return index >= 0 && remove(o, snapshot, index); } 1） 删除元素时，同样需要加互斥锁，但出于效率考虑，在加锁前都检测待删除元素是否存在，如果不存在则不加锁，直接返回false；2） 由于判断元素是否存在的操作时未加锁，不能保证删除方法执行过程中，其它线程进行写操作。故在加锁后，依然需要对索引进行校准，增加了删除操作实现难度； 3.7 迭代器实现 @Override public Iterator<E> iterator() { return new COWIterator<E>(getArray(), 0); } @Override public ListIterator<E> listIterator() { return new COWIterator<E>(getArray(), 0); } @Override public ListIterator<E> listIterator(int index) { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; if (index < 0 || index > len) { throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index); } return new COWIterator<E>(elements, index); } /** * <h2>Copy-On-Write迭代器定义</h2> * <p>限定为final,表示不可以被继承</p> */ static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> { /** * 限定为final,指定为不可变对象,存放arry快照 */ private final Object[] snapshot; /** * 迭代器索引 */ private int cursor; private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) { cursor = initialCursor; snapshot = elements; } public boolean hasNext() { return cursor < snapshot.length; } public boolean hasPrevious() { return cursor > 0; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { if (!hasNext()) { throw new NoSuchElementException(); } return (E) snapshot[cursor++]; } @SuppressWarnings("unchecked") public E previous() { if (!hasPrevious()) { throw new NoSuchElementException(); } return (E) snapshot[--cursor]; } public int nextIndex() { return cursor; } public int previousIndex() { return cursor - 1; } /** * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException. * * @throws UnsupportedOperationException always; {@code remove} * is not supported by this iterator. */ public void remove() { throw new UnsupportedOperationException(); } /** * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException. * * @throws UnsupportedOperationException always; {@code set} * is not supported by this iterator. */ public void set(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } /** * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException. * * @throws UnsupportedOperationException always; {@code add} * is not supported by this iterator. */ public void add(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } @Override public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) { Objects.requireNonNull(action); Object[] elements = snapshot; final int size = elements.length; for (int i = cursor; i < size; i++) { @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) elements[i]; action.accept(e); } cursor = size; } } 1） COWIterator迭代器实现是基于快照的，即在调用iterator()方法创建迭代器时，传入array的引用作为快照； 通过一个整型游标记录当前访问到元素的索引；2） 因为迭代器是基于快照的，故所有读操作都无须加锁，且迭代过程中，对CopyOnWriteArrayList集合的修改不会影响到迭代操作，也不会抛出ConcurrentModificationException；3） 注意：因为COWSubList是作为CopyOnWriteArrayList的子列表的，所有操作都依赖于array，所以COWSubList的所有操作都必须检测array是否有改变，并且读写操作都要加锁，以保证写操作替换array的时候，没有读操作同步进行； 4 适用场景 4.1 小数据量，读多写少 数据量较小，读操作尤其是遍历操作远多于写操作时候，适合使用CopyOnWriteArrayList。 5 缺点&权衡点 5.1 写操作耗时更多 不可变对象的每次写操作就要进行一次copy/new操作，带来的性能消耗随着copy的数据量显著增加，包括内存的消耗以及copy/new过程的时间消耗；故不适合copy/new数据量很大，并且写操作很多的场景。 5.2 集合占用内存更多 使用Copy-On-Write，如果短时间有大量读伴随着写，则会有很多”快照”引用得不到释放，占用大量内存。 6 应用案例 7 相关知识点 7.1 迭代器模式 7.2 CopyOnWriteArraySet 8 问题思考 1）CopyOnWriteList如何保证在遍历的过程中修改集合不会触发ConcurrentModificationException?2）为什么CopyOnWriteList的迭代器不支持写操作？3）如下代码为什么不直接使用array，而要通过getArray方法？ 4）加锁的代码为什么要按照如下方式写？是要防止锁的引用改变吗？ 参考 [Java多线程系列--“JUC集合”02之 CopyOnWriteArrayList]()sun.misc.Unsafe类的使用CopyOnWriteArrayList解读
