CopyOnWriteArrayList的简单使用

2017-11-26 Java PV:

CopyOnWriteArrayList的介绍

CopyOnWriteArrayList是ArrayList的一个线程安全的变体，其中所有可变操作（add、set等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的, 一般在多线程操作时，一个线程对list进行修改。一个线程对list进行foreach时会出现, java.util.ConcurrentModificationException错误。

下面来看一个列子：两个线程,一个线程foreach,一个线程修改list的值。

读线程

/**
 * 读线程
 */
private static class ReadTask implements Runnable {
  
    List<String> list;
    public ReadTask(List<String> list) {
        this.list = list;
    }
  
    @Override
    public void run() {
        for (String str : list) {
            log.info("ReadTask>>>>>" + str);
        }
    }
}

写线程

/**
 * 写线程
 */
private static class WriteTask implements Runnable {
    private int index;
    private List<String> list;
    public WriteTask(int index, List<String> list) {
        this.index = index;
        this.list = list;
    }
    @Override
    public void run() {
        list.remove(index);
        list.add(index, "write>>" + index);
    }
}

运行代码

    private void run() {
        final int NUM = 10;
        List<String> list = new ArrayList<String>();
//        List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < NUM; i++) {
            list.add("main_" + i);
        }
//        创建指定线程数量的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(NUM);
        for (int i = 0; i < NUM; i++) {
            executorService.execute(new ReadTask(list));
            executorService.execute(new WriteTask(i, list));
        }
//        等待线程任务执行结束之后,关闭线程
//        executorService.shutdown();
//        立即关闭所有线程(即便是正在执行线程任务的线程,但结果不一定能够成功关闭)
        executorService.shutdownNow();
    }
    public static void main(String[] args) {
//        java.util.ConcurrentModificationException,修改并发异常
        new CopyOnWriteArrayListDemo().run();
    }

运行结果

从结果中可以看出来。在多线程情况下报错。其原因就是多线程操作结果：那这个种方案不行我们就换个方案。用jdk自带的类CopyOnWriteArrayList来做容器。

换了种方案看代码 :

1
2
3

        final int NUM = 10;
//        List<String> list = new ArrayList<String>();
        List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();

运行上面的代码,没有报出,java.util.ConcurrentModificationException异常,说明了CopyOnWriteArrayList并发多线程的环境下,仍然能很好的工作

CopyOnWriteArrayList源码分析

CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组做写操作，写完之后，再将原来的数组引用指向到新数组。

当有新元素加入的时候，如下图，创建新数组，并往新数组中加入一个新元素,这个时候，array这个引用仍然是指向原数组的。

当元素在新数组添加成功后，将array这个引用指向新数组。

CopyOnWriteArrayList的整个add操作都是在锁的保护下进行的,这样做是为了避免在多线程并发add的时候，复制出多个副本出来,把数据搞乱了，导致最终的数组数据不是我们期望的。

CopyOnWriteArrayList的add()方法操作的源代码如下:

public boolean add(E e) {
  //1、先加锁
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lock();
  try {
    Object[] elements = getArray();
    int len = elements.length;
    //2、拷贝数组
    Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
    //3、将元素加入到新数组中
    newElements[len] = e;
    //4、将array引用指向到新数组
    setArray(newElements);
    return true;
  } finally {
    //5、解锁
    lock.unlock();
  }
}

由于所有的写操作都是在新数组进行的，这个时候如果有线程并发的写，则通过锁来控制，如果有线程并发的读，则分几种情况:

(1) 如果写操作未完成，那么直接读取原数组的数据；
(2) 如果写操作完成，但是引用还未指向新数组，那么也是读取原数组数据；
(3) 如果写操作完成，并且引用已经指向了新的数组，那么直接从新数组中读取数据。

可见，CopyOnWriteArrayList的读操作是可以不用加锁的。

CopyOnWriteArrayList的使用场景

通过上面的分析，CopyOnWriteArrayList 有几个缺点：

(1) 由于写操作的时候，需要拷贝数组，会消耗内存，如果原数组的内容比较多的情况下，可能导致young gc或者full gc
(2) 不能用于实时读的场景，像拷贝数组、新增元素都需要时间，所以调用一个set操作后，读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求；

CopyOnWriteArrayList 合适读多写少的场景，不过这类慎用,因为谁也没法保证CopyOnWriteArrayList 到底要放置多少数据，万一数据稍微有点多，每次add/set都要重新复制数组，这个代价实在太高昂了。在高性能的互联网应用中，这种操作分分钟引起故障。

CopyOnWriteArrayList总结

如上面的分析CopyOnWriteArrayList表达的一些思想:

(1) 读写分离，读和写分开
(2) 最终一致性
(3) 使用另外开辟空间的思路，来解决并发冲突