一、概述

  CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器,它是个线程安全且读操作无锁的ArrayList,写操作则通过创建底层数组的新副本来实现,是一种读写分离的并发策略,我们也可以称这种容器为"写时复制器",Java并发包中类似的容器还有CopyOnWriteSet。

  CopyOnWriteArrayList容器允许并发读,读操作是无锁的,性能较高。至于写操作,比如向容器中添加一个元素,则首先将当前容器复制一份,然后在新副本上执行写操作,结束之后再将原容器的引用指向新容器。

  它相当于线程安全的ArrayList。和ArrayList一样,它是个可变数组;但是和ArrayList不同的时,它具有以下特性:
    1. 它最适合于具有以下特征的应用程序:List 大小通常保持很小,只读操作远多于可变操作,需要在遍历期间防止线程间的冲突。
    2. 它是线程安全的。
    3. 因为通常需要复制整个基础数组,所以可变操作(add()、set() 和 remove() 等等)的开销很大。
    4. 迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作,但不支持可变 remove()等操作。
    5. 使用迭代器进行遍历的速度很快,并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时,迭代器依赖于不变的数组快照。

1.1、数据结构

  

说明
  1. CopyOnWriteArrayList实现了List接口,因此它是一个队列。
  2. CopyOnWriteArrayList包含了成员lock。每一个CopyOnWriteArrayList都和一个互斥锁lock绑定,通过lock,实现了对CopyOnWriteArrayList的互斥访问。
  3. CopyOnWriteArrayList包含了成员array数组,这说明CopyOnWriteArrayList本质上通过数组实现的。

  下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList的原理进行说明。

    1. CopyOnWriteArrayList的“动态数组”机制 -- 它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时,都会新建一个数组,并将更新后的数据拷贝到新建的数组中,最后再将该数组赋值给“volatile数组”。这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因!CopyOnWriteArrayList就是通过这种方式实现的动态数组;不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时,都会新建数组,所以涉及到修改数据的操作,CopyOnWriteArrayList效率很
低;但是单单只是进行遍历查找的话,效率比较高。

    2. CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制 -- 是通过volatile和互斥锁来实现的。(01) CopyOnWriteArrayList是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时,总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入;就这样,通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的
保证。(02) CopyOnWriteArrayList通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时,会先“获取互斥锁”,再修改完毕之后,先将数据更新到“volatile数组”中,然后再“释放互斥锁”;这样,就达到了保护数据的目的。

1.2、使用

/**
* CopyOnWriteArrayList是“线程安全”的动态数组,而ArrayList是非线程安全的。
* 下面是“多个线程同时操作并且遍历list”的示例
* (01) 当list是CopyOnWriteArrayList对象时,程序能正常运行。
* (02) 当list是ArrayList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。
*/
public class CopyOnWriteArrayListTest1 {
// TODO: list是ArrayList对象时,程序会出错。
// private static List<String> list = new ArrayList<String>();
private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>(); public static void main(String[] args) { // 同时启动两个线程对list进行操作!
new MyThread("ta").start();
new MyThread("tb").start();
} private static void printAll() {
String value = null;
Iterator iter = list.iterator();
while (iter.hasNext()) {
value = (String) iter.next();
System.out.print(value + ", ");
}
System.out.println();
} private static class MyThread extends Thread {
MyThread(String name) {
super(name);
} @Override
public void run() {
int i = 0;
while (i++ < 6) {
// “线程名” + "-" + "序号"
String val = Thread.currentThread().getName() + "-" + i;
list.add(val);
// 通过“Iterator”遍历List。
printAll();
}
}
}
}

1.3、使用场景

读多写少的并发场景,读写分离,适合写少读多的场景。使用了独占锁,支持多线程下的并发写。

优点:

  读操作性能很高,因为无需任何同步措施,比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时,若中途有别的线程对list容器进行修改,则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想,遍历和修改操作分别作用在不同的list容器,所以在使用迭代器进行遍历时候,也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了

缺点:

  缺点也很明显,一是内存占用问题,毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份,数据量大时,对内存压力较大,可能会引起频繁GC;二是无法保证实时性,Vector对于读写操作均加锁同步,可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因,写和读分别作用在新老不同容器上,在写操作执行过程中,读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。三是大量写操作性能极差。

二、源码查看

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