CopyOnWriteArrayList源码分析

其中唯一的线程安全 List 实现就是 CopyOnWriteArrayList。

特点

由于读取操作不会对原有数据进行修改，因此，对于每次读取都进行加锁其实是一种资源浪费。相比之下，我们应该允许多个线程同时访问 List 的内部数据，毕竟对于读取操作来说是安全的。
这种思路与 ReentrantReadWriteLock 读写锁的设计思想非常类似，即读读不互斥、读写互斥、写写互斥（只有读读不互斥）。
CopyOnWriteArrayList 更进一步地实现了这一思想。为了将读操作性能发挥到极致，CopyOnWriteArrayList 中的读取操作是完全无需加锁的。更加厉害的是，写入操作也不会阻塞读取操作，只有写写才会互斥。这样一来，读操作的性能就可以大幅度提升。

CopyOnWriteArrayList 线程安全的核心在于其采用了 写时复制（Copy-On-Write） 的策略

思想

写入时复制（英语：Copy-on-write，简称 COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略。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。这过程对其他的调用者都是透明的。此作法主要的优点是如果调用者没有修改该资源，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。

当需要修改（ add，set、remove 等操作） CopyOnWriteArrayList 的内容时，不会直接修改原数组，而是会先创建底层数组的副本，对副本数组进行修改，修改完之后再将修改后的数组赋值回去，这样就可以保证写操作不会影响读操作了。写时复制机制非常适合读多写少的并发场景，能够极大地提高系统的并发性能。

写时复制缺点

1. 内存占用：每次写操作都需要复制一份原始数据，会占用额外的内存空间，在数据量比较大的情况下，可能会导致内存资源不足。
2. 写操作开销：每一次写操作都需要复制一份原始数据，然后再进行修改和替换，所以写操作的开销相对较大，在写入比较频繁的场景下，性能可能会受到影响。
3. 数据一致性问题：修改操作不会立即反映到最终结果中，还需要等待复制完成，这可能会导致一定的数据一致性问题。

结构

add

// 插入元素到 CopyOnWriteArrayList 的尾部
public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取原来的数组
        Object[] elements = getArray();
        // 原来数组的长度
        int len = elements.length;
        // 创建一个长度+1的新数组，并将原来数组的元素复制给新数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 元素放在新数组末尾
        newElements[len] = e;
        // array指向新数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

• add方法内部用到了 ReentrantLock 加锁，保证了同步，避免了多线程写的时候会复制出多个副本出来。
• CopyOnWriteArrayList 通过复制底层数组的方式实现写操作，即先创建一个新的数组来容纳新添加的元素，然后在新数组中进行写操作，最后将新数组赋值给底层数组的引用，替换掉旧的数组。采用了 写时复制（Copy-On-Write） 的策略。
• 每次写操作都需要通过 Arrays.copyOf 复制底层数组，时间复杂度是 O(n) 的，且会占用额外的内存空间。因此，CopyOnWriteArrayList 适用于读多写少的场景。
• CopyOnWriteArrayList 中并没有类似于 ArrayList 的 grow() 方法扩容的操作。

读取元素

CopyOnWriteArrayList 的读取操作是基于内部数组 array 并没有发生实际的修改，因此在读取操作时不需要进行同步控制和锁操作，可以保证数据的安全性。这种机制下，多个线程可以同时读取列表中的元素。

// 底层数组，只能通过getArray和setArray方法访问
private transient volatile Object[] array;

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

final Object[] getArray() {
    return array;
}

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

get方法是弱一致性的，在某些情况下可能读到旧的元素值。

获取列表中元素的个数

CopyOnWriteArrayList中的array数组每次复制都刚好能够容纳下所有元素，并不像ArrayList那样会预留一定的空间。因此，CopyOnWriteArrayList中并没有size属性CopyOnWriteArrayList的底层数组的长度就是元素个数，因此size()方法只要返回数组长度就可以了。

删除

public E remove(int index) {
    // 获取可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
    	   //获取当前array数组
        Object[] elements = getArray();
        // 获取当前array长度
        int len = elements.length;
        //获取指定索引的元素(旧值)
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        // 判断删除的是否是最后一个元素
        if (numMoved == 0)
        	   // 如果删除的是最后一个元素，直接复制该元素前的所有元素到新的数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            // 分段复制，将index前的元素和index+1后的元素复制到新数组
            // 新数组长度为旧数组长度-1
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            //将新数组赋值给array引用
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
       	// 解锁
        lock.unlock();
    }
}

判断元素是否存在

// 判断是否包含指定元素
public boolean contains(Object o) {
    //获取当前array数组
    Object[] elements = getArray();
    //调用index尝试查找指定元素，如果返回值大于等于0，则返回true，否则返回false
    return indexOf(o, elements, 0, elements.length) >= 0;
}

// 判断是否保证指定集合的全部元素
public boolean containsAll(Collection<?> c) {
    //获取当前array数组
    Object[] elements = getArray();
    //获取数组长度
    int len = elements.length;
    //遍历指定集合
    for (Object e : c) {
        //循环调用indexOf方法判断，只要有一个没有包含就直接返回false
        if (indexOf(e, elements, 0, len) < 0)
            return false;
    }
    //最后表示全部包含或者制定集合为空集合，那么返回true
    return true;
}

private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
                       int index, int fence) {
    if (o == null) {
        for (int i = index; i < fence; i++)
            if (elements[i] == null)
                return i;
    } else {
        for (int i = index; i < fence; i++)
            if (o.equals(elements[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

作者声明

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