深入理解CopyOnWriteArrayList源码分析

上篇推荐：Java中快速失败 (fail-fast) 机制

CopyOnWriteArrayList简介

CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包下提供的一个线程安全的ArrayList。它通过一个简单的策略来保证线程安全：当我们需要修改列表时（增加、删除、修改等操作），而不是直接对当前的内容进行操作，它会将当前的内容复制一份，在副本上执行修改，然后将原列表指向新的副本。

源码分析与加锁机制

CopyOnWriteArrayList使用了ReentrantLock来实现线程安全的修改操作。下面是一个简化版的源码展示其加锁机制：

private transient volatile Object[] array;
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

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();
    }
}

如上述代码所示，每一个修改操作都是在加锁的情况下执行的。首先复制当前的数组，然后在副本上执行修改，最后再将原来的数组引用指向新的副本。重要的是，获取数组的当前状态不需要加锁，因为不涉及修改操作。

增删查改实现

增加

如前所示，增加操作首先复制出一个新的数组，然后在新数组的末尾添加新的元素，并将原数组指向这个新数组。

删除

删除操作也是首先复制数组，然后从复制出的新数组中移除指定的元素，完成后，再将原数组指向新数组。

查找

查找操作是CopyOnWriteArrayList中效率最高的操作，因为它可以直接访问底层数组，无需加锁：

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

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

修改

修改操作和增加、删除操作类似，首先是数组的复制，然后在新数组上修改指定位置的元素值，之后再将原数组指向新数组。

适用场景

CopyOnWriteArrayList适合读多写少的并发场景。由于它的读取操作不需要加锁，可以充分利用硬件和操作系统的优化，如缓存一致性协议，使得读取操作非常高效。而写操作，由于涉及到复制整个数组，所以在数据量大、写操作频繁的场景中性能会相对较低。

问题

• 内存消耗：由于写操作需要复制整个数组，对于大规模数据的列表，这可能导致相当昂贵的内存消耗。
• 数据一致性：CopyOnWriteArrayList保证最终一致性而非实时一致性。在写操作发生的同时，读取操作可能仍然读到旧的数据。
• 迭代器弱一致性：迭代器不会反映出在迭代器创建之后的修改。

迭代器弱一致性 举例说明

public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");

        Iterator<String> iterator = list.iterator();

        // 在迭代进行中对列表进行修改
        list.add("d");
        list.remove("b");

        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }

a
b
c

在迭代的过程中，迭代器只能看到最开始的快照，可能会错过后来添加或删除的元素。因此，虽然不会抛出异常，但迭代的结果可能是一个旧的快照，从而出现了迭代的弱一致性。

总的来说，CopyOnWriteArrayList是一种读写分离的思路，在特定的适用场景下可以提供很好的并发性能和线程安全性。然而，开发者在使用时需要注意它的限制和适用的局限性，以确保应用程序的性能和正确性。