【多线程并发编程】十二 CopyOnWriteArrayList源码分析
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文章目录
- 前言：
- 1.浅谈ArrayList
- 2.解决线程不安全问题
- 使用Vector
- 多线程开发经常遇到的报错ConcurrentModificationException
- 使用Collections集合类
- CopyOnWriteArrayList
前言：
在学习多线程的过程中，我们经常会听到ArrayList线程不安全。有个别社友就在说，我们在项目中用的好好的，也没有什么报错，实际上，大部分的人，在项目开发过程中，确实很少接触到这块。来我们一探究竟呗。看看为什么说ArrayList线程不安全。
1.浅谈ArrayList
一文了解ArrayList源码及扩容
在多线程环境下，操作同一资源，会有各种各样的问题出现，例如，在多线程环境下，操作ArrayList进行添加操作，就会出现java.util.ConcurrentModificationException的异常。我们常说某某是不是线程安全，实际上，是有一个前提的，是在多线程环境里，因为单线程过程中不会存在线程不安全的问题。
package com.cxyxs.thread.twelve;
import java.lang.reflect.Array;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* Description：转发请注明来源 程序猿学社 - https://ithub.blog.csdn.net/
* Author: 程序猿学社
* Date: 2020/2/20 20:00
* Modified By:
*/
public class Demo1 {
public static void main(String[] args){
List<Integer> lists = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 50; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 50; j++) {
lists.add(j);
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"A").start();
}
while (true){
if (Thread.activeCount() == 2){
System.out.println(lists.size());
return;
}
}
//Thread.currentThread().getThreadGroup().list();
}
}
- TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1) 线程休眠一毫秒，不要使用 Thread.sleep(1)，这两句代码都是一样的意思，我们应该尽量使用juc下的内容。
- 50个线程，打印50次，每次休眠1毫秒，鬼知道什么时候能打完，看到社长之前的文章的社友，应该都知道，启动main方法后，会有两个线程一直处于运行状态，所以，我们只需要判断正在运行的线程数是不是为2，就可以知道子线程的业务逻辑是否已经跑完，因为run执行完后，线程会进入死亡状态。
读过小学的，都知道50*50,是2500，为什么打印的结果是2463？
- 这就是为什么说ArrayList是线程不安全的原因。
话不多说，上ArrayList的add源码
private int size;
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
size++就是线程不安全的，需要大家了解JMM的可见性，不了解可以大致看看我之前的文章。
【多线程并发编程】六 什么是线程安全？
- 假设size为10，主内存会存size=10，其他的线程，会copy一份，放到各自的工作内存里面，线程A，发现size为10，所以+1后，size就会11了，注意，这时候线程B，发现size也是10，也执行+1操作，size变成11，线程A和线程B会把操作的结果通知给主内存，所以主内存的值变成11，实际上，应该为12才对。
2.解决线程不安全问题
使用Vector
package com.cxyxs.thread.twelve;
import java.lang.reflect.Array;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* Description：转发请注明来源 程序猿学社 - https://ithub.blog.csdn.net/
* Author: 程序猿学社
* Date: 2020/2/20 20:00
* Modified By:
*/
public class Demo1 {
public static void main(String[] args){
//线程不安全
//List lists = new ArrayList<>();
// 优化方案1
List<Integer> lists = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 50; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 50; j++) {
lists.add(j);
try {
Thread.sleep(1);
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"A").start();
}
while (true){
if (Thread.activeCount() == 2){
System.out.println(lists.size());
return;
}
}
//Thread.currentThread().getThreadGroup().list();
}
}
- 社长运行了几次，每次的结果都是2500，说明线程不安全的问题，已经解决。
我们来看一看Vector源码，来看看他是怎么解决线程不安全问题的。
使用ctrl+F12(idea)，输入add快速定位到这个方法
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
- synchronized 关键字，上锁，意思同一时刻只能有一个线程，能操作add方法。类似于，有一个茅坑，里面有几个坑，有一个怪癖，每次上茅坑，都把大门都关起来。造成资源的浪费，其他的人想上茅坑，只能等隔壁老王上完才能使用。所以这种方式，不怎么建议使用，根据场景，自己合理选择。
- modCount看起来很陌生，他表示结构被修改的次数。新增，修改等modCount都会增加1
多线程开发经常遇到的报错ConcurrentModificationException
之前在开发过程中，经常发现有ConcurrentModificationException这个报错。
看名字其义，意思就是多线程修改异常，也就说多个线程对同一份资源进行写操作会有这种异常报错。
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
我们看一看哪里调用了这个方法
public E next() {
synchronized (Vector.this) {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= elementCount)
throw new NoSuchElementException();
cursor = i + 1;
return elementData(lastRet = i);
}
}
- 发现迭代器next方法会检查修改的次数。调用Itr时，会把modCount赋值给expectedModCount。因为modCount涉及到修改删除等操作时，就会变动。
public synchronized Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
- list的循环输出iterator方法，就是上就是new Itr()
疑问
本人在调用add时，发现modCount每次调用add就会+1，但是expectedModCount一直没有变，就有点困惑。个人感觉应该跟这些类的add方法应该有关系。对这方面了解很深的大佬，可以在下方留言。
使用Collections集合类
//优化方案二：
List<Integer> lists =Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
- 经过多次测试，结果都是2500.
- 有了synchronized,为什么还用弄出一个Collections，就是为了方便我们开发，使我们更关注于业务逻辑的开发。
CopyOnWriteArrayList
package com.cxyxs.thread.twelve;
import java.lang.reflect.Array;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* Description：转发请注明来源 程序猿学社 - https://ithub.blog.csdn.net/
* Author: 程序猿学社
* Date: 2020/2/20 20:00
* Modified By:
*/
public class Demo1 {
public static void main(String[] args){
//线程不安全
//List lists = new ArrayList<>();
// 优化方案1
//List lists = new Vector<>();
//优化方案二：
//List lists =Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
//优化方案三
List<Integer> lists = new CopyOnWriteArrayList();
for (int i = 0; i < 50; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 50; j++) {
lists.add(j);
try {
Thread.sleep(1);
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},"A").start();
}
while (true){
if (Thread.activeCount() == 2){
System.out.println(lists.size());
return;
}
}
//Thread.currentThread().getThreadGroup().list();
}
}
通过多次测试，发现结果为2500.
- CopyOnWriteArrayList是一个一个线程安全ArrayList,其中所有可变操作（ add ， set ，等等）通过对底层数组的最新副本实现
了解CopyOnWriteArrayList，我们首先需要先了解copyonwrite机制.
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优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（callers）同时请求相同资源（如内存或磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者试图修改资源的内容时，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。优点是如果调用者没有修改该资源，就不会有副本（private copy）被建立，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。
我们通过源码来看一看，jdk大佬是如何实现CopyOnWriteArrayList的add方法的。
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();
}
}
- 看到我们熟悉的人"lock"，为了避免死锁，jdk官方的代码就是跟try finally配套使用的，也是为了try里面的代码报错，锁没有释放。
- 这简单很简洁，上锁，获取原来数组内容，再在原来数组长度上增加1，产生一个新的数组，并给最后一个元素复制。最后，再set进去。
- 看了这个代码后，如果多个线程在操作过程中，我们读，会读到旧数据，这也是CopyOnWrite，写入时复制，实际上换一个说法，就是读写分离。
我们看了CopyOnWriteArrayList的add方法，我们来看一看，他的iterator方法
public ListIterator<E> listIterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
/** Snapshot of the array */
private final Object[] snapshot;
/** Index of element to be returned by subsequent call to next. */
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = elements;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
if (! hasNext())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[cursor++];
}
}
- 不知道大家注意到没有，我们可以发现调用iterator，实际上都用的是另外一个类，实际上就是把外面的object，复制给里面这个类的数组。所以，个人认为，读到的也是旧的数据(多线程环境下)。
- 看了ArrayList，Vetoct，CopyOnWriteArrayList等等一些源码，发现他们都是没有直接迭代输出的方法，都是借助一个类实现ListIterator接口，大致都是这种套路。
总结：CopyOnWrite适用于读多写少的场景。因为我们知道每次调用写操作，都会重新开辟一个数组。对频繁的写操作，性能十分的底下。