CopyOnWriteArrayList源码解析——JDK1.8

参考：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3498483.html

1、CopyOnWriteArrayList介绍

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。

6. CopyOnWriteArrayList使用了一种叫写时复制的方法，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList时，先将原有数组的元素拷贝到新数组中，然后在新的数组中做写操作，写完之后，再将原来的数组引用（volatile 修饰的数组引用）指向新数组。CopyOnWriteArrayList的整个add操作都是在锁的保护下进行的。

2、要点

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。

    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    private transient volatile Object[] array;

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。

• 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(add)/修改(set)/删除(remove)”数据时，都会新建一个数组，并将原数组中的元素拷贝到新数组中，然后在新数组中更新，最后再将“volatile数组”引用指向新数组。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。

• CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制：

  • 是通过 volatile 和 互斥锁 来实现的。
  • 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数组最后的写入；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。
  • 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“volatile数组”引用指向新数组，然后再“释放互斥锁”；这样，就达到了保护数据的目的。

3、创建，添加，删除，获取，遍历

3.1 创建

CopyOnWriteArrayList共3个构造函数。

    //创建空的CopyOnWriteArrayList对象
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }

    //创建含有指定Collection的元素的CopyOnWriteArrayList
    public CopyOnWriteArrayList(Collection c) {
        Object[] elements;
        if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
            elements = ((CopyOnWriteArrayList)c).getArray();
        else {
            elements = c.toArray();
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elements.getClass() != Object[].class)
                elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
        }
        setArray(elements);
    }


    //创建含有指定数组的元素的CopyOnWriteArrayList
    public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
        setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
    }

    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }

3.2 添加

以add(E e)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的添加操作”进行说明。

    //添加元素
    public boolean add(E e) {
        //获取该对象的锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 获取“锁”,每次只有一个线程可进入临界区
        lock.lock();
        try {
            // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 新建一个数组newElements，并将原始数据拷贝到newElements中；
            // newElements数组的长度=“原始数组的长度”+1
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            // 将“新增加的元素”保存到newElements中。
            newElements[len] = e;
            // 将”volatile数组“引用指向newElements数组，这样旧数组就被GC回收了
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            // 释放“锁”
            lock.unlock();
        }
    }

3.3 删除

以remove(int index)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的删除操作”进行说明。

        //删除索引index处的元素
        public E remove(int index) {
            final ReentrantLock lock = l.lock;
            //获得“锁”
            lock.lock();
            try {
                //检测是否“数组越界”
                rangeCheck(index);
                checkForComodification();
                //删除元素
                E result = l.remove(index+offset);
                expectedArray = l.getArray();
                size--;
                return result;
            } finally {
                //释放“锁”
                lock.unlock();
            }
        }

        private void rangeCheck(int index) {
            if (index < 0 || index >= size)
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+",Size: "+size);
        }

        private void checkForComodification() {
            if (l.getArray() != expectedArray)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }

    //删除元素的真正实现
    public E remove(int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //获得“锁”
        lock.lock();
        try {
            // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            //// 获取elements数组中的第index个数据。
            E oldValue = get(elements, index);
            int numMoved = len - index - 1;
            // 如果被删除的是最后一个元素，则直接通过Arrays.copyOf()进行处理，而不需要新建数组。
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                // 否则，新建数组，然后将”volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中；
                // 最后，将”volatile数组“引用指向newElements数组，这样旧数组就被GC回收了。
                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 {
            //释放“锁”
            lock.unlock();
        }
    }

3.4 获取

get(int index)的实现很简单，就是返回”volatile数组“中的第index个元素。

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

    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }

3.5 遍历

以iterator()为例，来对“CopyOnWriteArrayList的遍历操作”进行说明。

    public Iterator iterator() {
        return new COWIterator(getArray(), 0);
    }

    static final class COWIterator implements ListIterator {
        /** Snapshot（快照） of the array */
        private final Object[] snapshot;
        /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
        private int cursor;    // 游标

        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        }

        public boolean hasNext() {
            return cursor < snapshot.length;
        }

        public boolean hasPrevious() {
            return cursor > 0;
        }

        // 获取下一个元素
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            if (! hasNext())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[cursor++];
        }

        // 获取上一个元素
        @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;
        }


        //不支持remove
        public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        //不支持set
        public void set(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }


        //不支持add
        public void add(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        @Override
        public void forEachRemaining(Consumersuper 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;
        }
    }

说明：

（1）创建迭代器的时候, 会保存数组元素的快照（有一个引用指向原数组）。

（2）COWIterator不支持修改元素的操作。例如，对于remove(), set(), add()等操作，COWIterator都会抛出异常！

（3）另外，需要提到的一点是，CopyOnWriteArrayList返回迭代器不会抛出ConcurrentModificationException异常，即它不是fail-fast机制的！