聊聊并发-Java中的Copy-On-Write容器

2022-06-23 23:37:03

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

什么是CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的实现原理

在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向ArrayList里添加元素，可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。


01 public boolean add(T e) {
02     final ReentrantLock lock = this.lock;
03     lock.lock();
04     try {
05  
06         Object[] elements = getArray();
07  
08         int len = elements.length;
09         // 复制出新数组
10  
11         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
12         // 把新元素添加到新数组里
13  
14         newElements[len] = e;
15         // 把原数组引用指向新数组
16  
17         setArray(newElements);
18  
19         return true;
20  
21     } finally {
22  
23         lock.unlock();
24  
25     }
26  
27 }
28  
29 final void setArray(Object[] a) {
30     array = a;
31 }

读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。


1 public E get(int index) {
2     return get(getArray(), index);
3 }

JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：


01 import java.util.Collection;
02 import java.util.Map;
03 import java.util.Set;
04  
05 public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
06     private volatile Map<K, V> internalMap;
07  
08     public CopyOnWriteMap() {
09         internalMap = new HashMap<K, V>();
10     }
11  
12     public V put(K key, V value) {
13  
14         synchronized (this) {
15             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
16             V val = newMap.put(key, value);
17             internalMap = newMap;
18             return val;
19         }
20     }
21  
22     public V get(Object key) {
23         return internalMap.get(key);
24     }
25  
26     public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
27         synchronized (this) {
28             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
29             newMap.putAll(newData);
30             internalMap = newMap;
31         }
32     }
33 }

实现很简单，只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器，并且在不同的应用场景中使用。

CopyOnWrite的应用场景

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：


01 package com.ifeve.book;
02  
03 import java.util.Map;
04  
05 import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
06  
07 /**
08  * 黑名单服务
09  *
10  * @author fangtengfei
11  *
12  */
13 public class BlackListServiceImpl {
14  
15     private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
16             1000);
17  
18     public static boolean isBlackList(String id) {
19         return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
20     }
21  
22     public static void addBlackList(String id) {
23         blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
24     }
25  
26     /**
27      * 批量添加黑名单
28      *
29      * @param ids
30      */
31     public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
32         blackListMap.putAll(ids);
33     }
34  
35 }

代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：

1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。

2. 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。

针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

关于C++的STL中，曾经也有过Copy-On-Write的玩法，参见陈皓的《C++ STL String类中的Copy-On-Write》，后来，因为有很多线程安全上的事，就被去掉了。 

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