写入时复制(CopyOnWrite)

一、CopyOnWrite 思想

写入时复制(CopyOnWrite,简称COW)思想是计算机程序设计领域中的一种通用优化策略。其核心思想是,如果有多个调用者(Callers)同时访问相同的资源(如内存或者是磁盘上的数据存储),他们会共同获取相同的指针指向相同的资源,直到某个调用者修改资源内容时,系统才会真正复制一份专用副本(private copy)给该调用者,而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的(transparently)。此做法主要的优点是如果调用者没有修改资源,就不会有副本(private copy)被创建,因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

通俗易懂的讲,写入时复制技术就是不同进程在访问同一资源的时候,只有更新操作,才会去复制一份新的数据并更新替换,否则都是访问同一个资源。

JDK 的 CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet 容器正是采用了 COW 思想,它是如何工作的呢?简单来说,就是平时查询的时候,都不需要加锁,随便访问,只有在更新的时候,才会从原来的数据复制一个副本出来,然后修改这个副本,最后把原数据替换成当前的副本。修改操作的同时,读操作不会被阻塞,而是继续读取旧的数据。这点要跟读写锁区分一下。

二、源码分析

我们先来看看 CopyOnWriteArrayList 的 add() 方法,其实也非常简单,就是在访问的时候加锁,拷贝出来一个副本,先操作这个副本,再把现有的数据替换为这个副本。

    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();
        }
    }

CopyOnWriteArrayList 的 get(int index) 方法就是普通的无锁访问。

    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }
    
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }    
    

三、优点和缺点

1.优点

对于一些读多写少的数据,写入时复制的做法就很不错,例如配置、黑名单、物流地址等变化非常少的数据,这是一种无锁的实现。可以帮我们实现程序更高的并发。

CopyOnWriteArrayList 并发安全且性能比 Vector 好。Vector 是增删改查方法都加了synchronized 来保证同步,但是每个方法执行的时候都要去获得锁,性能就会大大下降,而 CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁,但是读不加锁,在读方面的性能就好于 Vector。

2.缺点

数据一致性问题。这种实现只是保证数据的最终一致性,在添加到拷贝数据而还没进行替换的时候,读到的仍然是旧数据。

内存占用问题。如果对象比较大,频繁地进行替换会消耗内存,从而引发 Java 的 GC 问题,这个时候,我们应该考虑其他的容器,例如 ConcurrentHashMap。

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