java并发编程笔记--CopyOnWriteArrayList

2021-08-29 03:45:56

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

java并发编程笔记--CopyOnWriteArrayList

java并发编程笔记--CopyOnWriteArrayList

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？

java并发编程笔记--CopyOnWriteArrayList

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？

java并发编程笔记--CopyOnWriteArrayList

参考

[Java多线程系列--“JUC集合”02之 CopyOnWriteArrayList]()
sun.misc.Unsafe类的使用
CopyOnWriteArrayList解读

上一篇：应用统计学与R语言实现学习笔记（八）——方差分析


下一篇：Java应用与数据库的关系|学习笔记