CopyOnWriteArrayList 源码解析和设计思路
引导语
在 ArrayList 的类注释上，JDK 就提醒了我们，如果要把 ArrayList 作为共享变量的话，是线程不安全的，推荐我们自己加锁或者使用 Collections.synchronizedList 方法，其实 JDK 还提供了另外一种线程安全的 List，叫做 CopyOnWriteArrayList，这个 List 具有以下特征：
- 线程安全的，多线程环境下可以直接使用，无需加锁；
- 通过锁 + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了线程安全；
- 每次数组操作，都会把数组拷贝一份出来，在新数组上进行操作，操作成功之后再赋值回去。
1 整体架构
从整体架构上来说，CopyOnWriteArrayList 数据结构和 ArrayList 是一致的，底层是个数组，只不过 CopyOnWriteArrayList 在对数组进行操作的时候，基本会分四步走：
- 加锁；
- 从原数组中拷贝出新数组；
- 在新数组上进行操作，并把新数组赋值给数组容器；
- 解锁。
除了加锁之外，CopyOnWriteArrayList 的底层数组还被 volatile 关键字修饰，意思是一旦数组被修改，其它线程立马能够感知到，代码如下：
private transient volatile Object[] array;
整体上来说，CopyOnWriteArrayList 就是利用锁 + 数组拷贝 + volatile 关键字保证了 List 的线程安全。
1.1 类注释
我们看看从 CopyOnWriteArrayList 的类注释上能得到哪些信息：
- 所有的操作都是线程安全的，因为操作都是在新拷贝数组上进行的；
- 数组的拷贝虽然有一定的成本，但往往比一般的替代方案效率高；
- 迭代过程中，不会影响到原来的数组，也不会抛出 ConcurrentModificationException 异常。
接着我们来看下 CopyOnWriteArrayList 的核心方法源码。
2 新增
新增有很多种情况，比如说：新增到数组尾部、新增到数组某一个索引位置、批量新增等等，操作的思路还是我们开头说的四步，我们拿新增到数组尾部的方法举例，来看看底层源码的实现：
// 添加元素到数组尾部
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 得到所有的原数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 拷贝到新数组里面，新数组的长度是 + 1 的，因为新增会多一个元素
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 在新数组中进行赋值，新元素直接放在数组的尾部
newElements[len] = e;
// 替换掉原来的数组
setArray(newElements);
return true;
// finally 里面释放锁，保证即使 try 发生了异常，仍然能够释放锁
} finally {
lock.unlock();
}
}
从源码中，我们发现整个 add 过程都是在持有锁的状态下进行的，通过加锁，来保证同一时刻只能有一个线程能够对同一个数组进行 add 操作。
除了加锁之外，还会从老数组中创建出一个新数组，然后把老数组的值拷贝到新数组上，这时候就有一个问题：都已经加锁了，为什么需要拷贝数组，而不是在原来数组上面进行操作呢，原因主要为：
- volatile 关键字修饰的是数组，如果我们简单的在原来数组上修改其中某几个元素的值，是无法触发可见性的，我们必须通过修改数组的内存地址才行，也就说要对数组进行重新赋值才行。
- 在新的数组上进行拷贝，对老数组没有任何影响，只有新数组完全拷贝完成之后，外部才能访问到，降低了在赋值过程中，老数组数据变动的影响。
简单 add 操作是直接添加到数组的尾部，接着我们来看下指定位置添加元素的关键源码（部分源码）：
// len：数组的长度、index：插入的位置
int numMoved = len - index;
// 如果要插入的位置正好等于数组的末尾，直接拷贝数组即可
if (numMoved == 0)
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
// 如果要插入的位置在数组的中间，就需要拷贝 2 次
// 第一次从 0 拷贝到 index。
// 第二次从 index+1 拷贝到末尾。
newElements = new Object[len + 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
numMoved);
}
// index 索引位置的值是空的，直接赋值即可。
newElements[index] = element;
// 把新数组的值赋值给数组的容器中
setArray(newElements);
从源码中可以看到，当插入的位置正好处于末尾时，只需要拷贝一次，当插入的位置处于中间时，此时我们会把原数组一分为二，进行两次拷贝操作。
最后还有个批量新增操作，源码我们就不贴了，底层也是拷贝数组的操作。
2.1 小结
从 add 系列方法可以看出，CopyOnWriteArrayList 通过加锁 + 数组拷贝+ volatile 来保证了线程安全，每一个要素都有着其独特的含义：
- 加锁：保证同一时刻数组只能被一个线程操作；
- 数组拷贝：保证数组的内存地址被修改，修改后触发 volatile 的可见性，其它线程可以立马知道数组已经被修改；
- volatile：值被修改后，其它线程能够立马感知最新值。
3 个要素缺一不可，比如说我们只使用 1 和 3 ，去掉 2，这样当我们修改数组中某个值时，并不会触发 volatile 的可见特性的，只有当数组内存地址被修改后，才能触发把最新值通知给其他线程的特性。
3 删除
接着我们来看下指定数组索引位置删除的源码：
// 删除某个索引位置的数据
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 先得到老值
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
// 如果要删除的数据正好是数组的尾部，直接删除
if (numMoved == 0)
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
// 如果删除的数据在数组的中间，分三步走
// 1. 设置新数组的长度减一，因为是减少一个元素
// 2. 从 0 拷贝到数组新位置
// 3. 从新位置拷贝到数组尾部
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 {
lock.unlock();
}
}
步骤分为三步：
- 加锁；
- 判断删除索引的位置，从而进行不同策略的拷贝；
- 解锁。
代码整体的结构风格也比较统一：锁 + try finally +数组拷贝，锁被 final 修饰的，保证了在加锁过程中，锁的内存地址肯定不会被修改，finally 保证锁一定能够被释放，数组拷贝是为了删除其中某个位置的元素。
4 批量删除
数组的批量删除很有意思，接下来我们来看下 CopyOnWriteArrayList 的批量删除的实现过程：
// 批量删除包含在 c 中的元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
if (c == null) throw new NullPointerException();
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 说明数组有值，数组无值直接返回 false
if (len != 0) {
// newlen 表示新数组的索引位置，新数组中存在不包含在 c 中的元素
int newlen = 0;
Object[] temp = new Object[len];
// 循环，把不包含在 c 里面的元素，放到新数组中
for (int i = 0; i < len; ++i) {
Object element = elements[i];
// 不包含在 c 中的元素，从 0 开始放到新数组中
if (!c.contains(element))
temp[newlen++] = element;
}
// 拷贝新数组，变相的删除了不包含在 c 中的元素
if (newlen != len) {
setArray(Arrays.copyOf(temp, newlen));
return true;
}
}
return false;
} finally {
lock.unlock();
}
}
从源码中，我们可以看到，我们并不会直接对数组中的元素进行挨个删除，而是先对数组中的值进行循环判断，把我们不需要删除的数据放到临时数组中，最后临时数组中的数据就是我们不需要删除的数据。
不知道大家有木有似曾相识的感觉，ArrayList 的批量删除的思想也是和这个类似的，所以我们在需要删除多个元素的时候，最好都使用这种批量删除的思想，而不是采用在 for 循环中使用单个删除的方法，单个删除的话，在每次删除的时候都会进行一次数组拷贝(删除最后一个元素时不会拷贝)，很消耗性能，也耗时，会导致加锁时间太长，并发大的情况下，会造成大量请求在等待锁，这也会占用一定的内存。
5 其它方法
5.1 indexOf
indexOf 方法的主要用处是查找元素在数组中的下标位置，如果元素存在就返回元素的下标位置，元素不存在的话返回 -1，不但支持 null 值的搜索，还支持正向和反向的查找，我们以正向查找为例，通过源码来说明一下其底层的实现方式：
// o：我们需要搜索的元素
// elements：我们搜索的目标数组
// index：搜索的开始位置
// fence：搜索的结束位置
private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
int index, int fence) {
// 支持对 null 的搜索
if (o == null) {
for (int i = index; i < fence; i++)
// 找到第一个 null 值，返回下标索引的位置
if (elements[i] == null)
return i;
} else {
// 通过 equals 方法来判断元素是否相等
// 如果相等，返回元素的下标位置
for (int i = index; i < fence; i++)
if (o.equals(elements[i]))
return i;
}
return -1;
}
indexOf 方法在 CopyOnWriteArrayList 内部使用也比较广泛，比如在判断元素是否存在时（contains），在删除元素方法中校验元素是否存在时，都会使用到 indexOf 方法，indexOf 方法通过一次 for 循环来查找元素，我们在调用此方法时，需要注意如果找不到元素时，返回的是 -1，所以有可能我们会对这个特殊值进行判断。
5.2 迭代
在 CopyOnWriteArrayList 类注释中，明确说明了，在其迭代过程中，即使数组的原值被改变，也不会抛出 ConcurrentModificationException 异常，其根源在于数组的每次变动，都会生成新的数组，不会影响老数组，这样的话，迭代过程中，根本就不会发生迭代数组的变动，我们截几个图说明一下：
- 迭代是直接持有原有数组的引用，也就是说迭代过程中，一旦原有数组的值内存地址发生变化，必然会影响到迭代过程，下图源码演示的是 CopyOnWriteArrayList 的迭代方法，我们可以看到迭代器是直接持有原数组的引用：
- CopyOnWriteArrayList 迭代之后，我们使用 add(“50”) 代码给数组新增一个数据后，数组内存地址发生了变化，内存地址从原来的 962 变成了 968，这是因为 CopyOnWriteArrayList 的 add 操作，会生成新的数组，所以数组的内存地址发生了变化：
- 迭代继续进行时，我们发现迭代器中的地址仍然是迭代之前引用的地址，是 962，而不是新的数组的内存地址：
从上面 4 张截图，我们可以得到迭代过程中，即使 CopyOnWriteArrayList 的结构发生变动了，也不会抛出 ConcurrentModificationException 异常的原因：CopyOnWriteArrayList 迭代持有的是老数组的引用，而 CopyOnWriteArrayList 每次的数据变动，都会产生新的数组，对老数组的值不会产生影响，所以迭代也可以正常进行。
6 总结
当我们需要在线程不安全场景下使用 List 时，建议使用 CopyOnWriteArrayList，CopyOnWriteArrayList 通过锁 + 数组拷贝 + volatile 之间的相互配合，实现了 List 的线程安全，我们抛弃 Java 的这种实现，如果让我们自己实现，你又将如何实现呢？