CopyOnWriterArrayList 详解

CopyOnWriterArrayList 详解

---

---

1. 简介

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

2. 原理

很多时候，我们的系统应对的都是读多写少的并发场景。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读，读操作是无锁的，性能较高。至于写操作，比如向容器中添加一个元素，则首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。

• 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。

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。

3. 优点

读操作（不加锁）性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时，若中途有别的线程对list容器进行修改，则会抛ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的list容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了。

4. 缺点

一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份。数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC；

二是无法保证实时性，因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意：在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。

5. 源码分析

5.1 添加操作

	public boolean add(E e) {
        //ReentrantLock加锁，保证线程安全
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            //拷贝原容器，长度为原容器长度加一
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            //在新副本上执行添加操作
            newElements[len] = e;
            //将原容器引用指向新副本
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            //解锁
            lock.unlock();
        }
    }

添加的逻辑很简单，先将原容器copy一份，然后在新副本上执行写操作，之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。

5.2 删除操作

	public E remove(int index) {
        //加锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(elements, index);
            int numMoved = len - index - 1;
            if (numMoved == 0)
                //如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                //否则，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用
                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 {
            //解锁
            lock.unlock();
        }
    }

删除操作同理，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，然后切换引用，将原容器引用指向新副本。同属写操作，需要加锁。

我们再来看看读操作，CopyOnWriteArrayList的读操作是不用加锁的，性能很高。

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

直接读取即可，无需加锁

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

5.3 弱一致性的迭代器

所谓弱一致性是指返回迭代器后，其他线程对list的增删改查对迭代器是不可见的

// 演示多线程下迭代器的弱一致性结果
public class copylist {
    private static volatile CopyOnWriteArrayList<String> arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        arrayList.add("hello");
        arrayList.add("alibaba");
        arrayList.add("welcome");
        arrayList.add("to");
        arrayList.add("hangzhou");
 
        Thread threadOne = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 修改list中下标为1的元素为ali
                arrayList.set(1, "ali");
                // 删除元素
                arrayList.remove(2);
                arrayList.remove(3);
            }
        });
        // 保证在修改线程启动前获取迭代器
        Iterator<String> itr = arrayList.iterator();
        // 启动线程
        threadOne.start();
        // 等待子线程执行完毕
        threadOne.join();
        while(itr.hasNext()) {
            System.out.println(itr.next());
        }
    }
}

执行程序：

hello
alibaba
welcome
to
hangzhou
 
Process finished with exit code 0

从输出结果我们知道，在子线程里面进行的操作一个都没有生效，这就是迭代器弱一致性的体现。需要注意的是，获取迭代器的操作必须在子线程操作之前进行。

6. ArrayList转为线程安全的方法

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());