JDK源码分析-CopyOnWriteArrayList

2022-11-08 22:40:09

1. 概述

CopyOnWriteArrayList，从名字可以看出它跟 ArrayList 有点关系，可以理解为线程安全的 ArrayList。它的类签名和继承结构如下：

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}

JDK源码分析-CopyOnWriteArrayList
它主要实现了 List 接口，也是一个集合类，下面分析其代码实现。

2. 代码分析

仍然先从构造器进行分析。

2.1 构造器

// 构造器一：无参构造器
public CopyOnWriteArrayList() {
    setArray(new Object[0]);
}

// 构造器二：入参为集合类型
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] elements;
    if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
        elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
    else {
        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);
    }
    setArray(elements);
}

// 构造器三：入参为数组
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}

它们都调用了 setArray 方法，如下：

// 存储元素的数组
private transient volatile Object[] array;

final Object[] getArray() {
    return array;
}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

这个 Object 数组就是 CopyOnWriteArrayList 用于存储数据的，而这几个构造器主要就是对该数组进行初始化。

由于它是一个集合类，主要操作就是增删改查，下面对这些操作进行分析。

2.2 增加

添加单个元素的方法有以下三个：

add(E): 将指定元素添加到 List 末尾。

public boolean add(E e) {
    // 获取锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 获取原数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 将原数据复制一个新的数组，容量增加 1
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e; // 将新元素插入新数组的末尾
        // 用新的数组替换旧的数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

add(int, E): 将给定元素添加到指定位置。

public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 获取原数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        Object[] newElements;
        int numMoved = len - index;
        // 若将新元素添加到末尾，直接复制一个新的数组（容量增加 1）
        if (numMoved == 0)
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 否则，创建一个新的空数组（容量增加 1）
        // 然后先把 index 前面的数据复制到新数组，再把 index 后面的数据复制到新数组
        else {
            newElements = new Object[len + 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        }
        // 把新元素添加到新数组的末尾，然后替换原数组
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

addIfAbsent(E): 当给定元素不存在时才添加。

public boolean addIfAbsent(E e) {
    // 获取原数组（当前的快照）
    Object[] snapshot = getArray();
    // indexOf >= 0 表示该元素已存在，直接返回 false
    return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
        addIfAbsent(e, snapshot);
}

private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 再次获取原数组
        Object[] current = getArray();
        int len = current.length;
        // 二者不等，表示期间有其它线程进行修改
        if (snapshot != current) {
            // Optimize for lost race to another addXXX operation
            int common = Math.min(snapshot.length, len);
            // 判断 e 是否存在于当前数组
            for (int i = 0; i < common; i++)
                // e 存在于 current，则返回 false（前面已判断 snapshot 中不存在）
                if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
                    return false;
            if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
                    return false;
        }
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

值得注意的是，addIfAbsent 方法执行期间，可能存在其它线程对数组进行修改，因此内部需要判断是否有修改。

这几个方法的共同点：

  1. 都使用互斥锁（ReentrantLock ）实现线程安全；
  2. 在新增元素时，并非直接修改原数组，而是复制出来一个新的数组，在新数组上修改，修改之后再覆盖原先的数组（这名字 Copy-On-Write 大概是这么来的吧）。

    2.3 删除

remove(E): 删除指定位置的元素。

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 获取原数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 获取该索引处的旧值
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        // 删除的是末尾元素
        if (numMoved == 0)
            // 复制 index 前面的所有元素，并替换原数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            // 删除的不是末尾元素，新建一个空数组（容量减 1）
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            // 替换旧数组
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

remove(Object): 删除指定的元素。

public boolean remove(Object o) {
    // 获取原数组（快照）
    Object[] snapshot = getArray();
    // 获取给定元素的索引，若小于零表示不存在，返回 false
    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;
    lock.lock();
    try {
        // 再次获取原数组（这里的操作逻辑和前面的 addIfAbsent 类似）
        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;
        }
        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();
    }
}

这两个方法的共同点：

  1. 使用互斥锁（ReentrantLock ）实现线程安全；
  2. 在删除元素时，也不是直接修改原数组，而是复制出来一个新的数组，在新数组上修改，修改之后再覆盖原先的数组（与增加操作类似）。

    2.4 修改

set(int, E): 将指定位置的元素设置为给定的元素。

public E set(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 获取原数组
        Object[] elements = getArray();
        // 获取该位置的旧值
        E oldValue = get(elements, index);
        if (oldValue != element) { // 新旧值不同
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
            newElements[index] = element;
            setArray(newElements);
        } else { // 新旧值相同
            // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
            setArray(elements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

该方法与前面的增加删除操作也是类似的。

2.5 读取

get(int): 获取给定位置的元素（不加锁）。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

分析到这里，简单总结下增删改查操作：

  1. 增删改操作都使用了互斥锁，读操作不加锁；
  2. 增删改操作都会把当前数组复制一份副本出来，在副本上做修改，然后再覆盖原数组；
  3. 修改过程中仍可以读取，但读取到的可能是旧数组（脏读）。
    这是一种读写分离的思想，可以提高并发性能（读多写少的场景下）。

2.6 迭代器

迭代器方法：

public Iterator<E> iterator() {
    // 获取当前数组，作为快照传入 COWIterator
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}

COWIterator 是一个内部嵌套类，主要代码如下：

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    // 数组的快照
    private final Object[] snapshot;
    // 对 next 的后续调用将返回的元素的索引
    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;
    }

    public E next() {
        if (! hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[cursor++];
    }

    public E previous() {
        if (! hasPrevious())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[--cursor];
    }

    public int nextIndex() {
        return cursor;
    }

    public int previousIndex() {
        return cursor-1;
    }

    // 该迭代器不支持修改操作
    public void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public void set(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public void add(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

该迭代器会使用当前数组的一个快照进行迭代，在此期间若有其它线程对集合进行修改，迭代器是读不到的。而且不支持在迭代过程中对数组进行增加、删除、修改操作。

3. 小结

CopyOnWriteArrayList 是一个集合类，它的主要特点如下：

  1. CopyOnWriteArrayList 可以理解为一个线程安全的 ArrayList；
  2. 在"增删改"操作中使用互斥锁保证线程安全，读操作不加锁；
  3. 采用写入时复制（Copy-On-Write）的思想，读写分离，可能造成脏读；
  4. 适用于读多写少的场景。
    它也有一个明显的缺点：当集合中数据量较大时，如果做一些修改操作比较耗费内存（内存中会同时存在两份数据）。

JDK源码分析-CopyOnWriteArrayList

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