Java并发集合_CopyOnWriteArrayList原理分析

在Java 集合框架中，我们介绍了List集合中最常用的子类ArrayList和LinkedList，但是它们都不保证多线程安全。如果多个线程同时读取和修改数据，就会产生冲突。

要实现多线程安全，可以使用同步集合Vector以及使用Collections类中synchronizedXXX系列方法。它们都是使用synchronized同步锁，保证同一时间只有一个线程能读取或修改集合。

其实还有一种更加高效的方法，CopyOnWrite(只有在修改时才复制)

一. CopyOnWrite方式

它的核心思想就是当我们对集合进行读取时，不做任何锁的控制，可以多线程并发读取，但是我们任何对集合进行修改的操作，都要加锁控制,保证同一时间只有一个线程，进行下面三个操作：(注意这里说的)

1. 先用老集合copy出一份新集合.
2. 然后在新集合上做修改.
3. 最后用新集合直接替换老集合.
   注意这里说的集合,就是集合中的数组array对象。

因为我们是在新集合中进行修改，所以不会影响正在读取数据的老集合，然后将新集合替换老集合，就能读取到最新修改的数据。

所以这里也就暴露了CopyOnWrite这种方式的缺点，就是我们修改了集合数据，可能不会立即读取到这个新数据，得到的还是老数据。
例如我们一个线程调用了set(int index, E element)替换了集合index位置的数据，然后另一个线程调用get(index),可能得不到那个线程对集合的修改。

二. CopyOnWriteArrayList集合

CopyOnWriteArrayList集合是一种CopyOnWrite的一种实现，根据CopyOnWrite方式介绍。所以我们知道CopyOnWriteArrayList集合中所有读取的方法都是不加锁的，而修改的方法是加锁的。

2.1 重要属性

    /** 通过ReentrantLock来实现独占锁的 */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /** 用来储存集合中数据，使用volatile关键字修饰，保证可见性和有序性 */
    private transient volatile Object[] array;

CopyOnWriteArrayList集合是使用lock来进行加锁操作的。

2.2 读取方法

     // 不需要加同步锁
    public int size() {
        return getArray().length;
    }
    // 不需要加同步锁
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }


    // 不需要加同步锁
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

这里选取了几个读取的方法，它们都不没有加同步锁。所以正在修改或者等待修改的东西，是读取不到的，以此会有延时性。

2.3 修改方法

当进行修改集合的时候，我们要保证三个操作是多线程同步的，即使用老数组创建新数组，修改新数组，将新数组替换老数组。这个三个操作必须同一时间只有一个线程操作。

不然就会出现这样一种情况：

1. 多个线程一起调用getArray方法，得到老数组array。
2. 然后其中一个线程操作完成之后，首先调用setArray方法，修改了共享变量array，
3. 之后又用另一个线程操作完成调用setArray方法，修改了共享变量array，
4. 这个时候你就会发现，另一个线程对集合的修改不是在前一个修改之上的，它会把上个线程的修改覆盖，产生多线程冲突。

     public E set(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 使用lock锁，保证修改共享变量array的线程安全。
        lock.lock();
        try {
            // 获取老数组elements
            Object[] elements = getArray();
            // 得到原来的值
            E oldValue = get(elements, index);

            // 有改变才修改
            if (oldValue != element) {
                int len = elements.length;
                // 用老的数组创建一个新数组
                Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
                // 更新index位置的值
                newElements[index] = element;
                // 设置新数组
                setArray(newElements);
            } else {
                // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
                // 这个并不是无用语句，确保volatile变量的重新写入
                setArray(elements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

选取了set方法，我们发现它的步骤的确与我们介绍的一模一样。

总结

CopyOnWriteArrayList集合可以解决多线程操作集合的并发问题，而且它的读取操作非常快，而修改操作将对较慢，因为使用的lock锁，同一时间只有一个线程，能够进行修改操作，其他线程必须等待。
它唯一的缺点就是，一个线程对CopyOnWriteArrayList集合进行修改，另一线程并不能立即读取到。当然对同一线程来说，就没有这个问题的。

另外还有一个CopyOnWriteArraySet集合，它的内部就是使用CopyOnWriteArrayList集合实现的，所以就不用详细讲解了。