Java高频面试之集合-08

hello啊，各位观众姥爷们！！！本baby今天来报道了！哈哈哈哈哈嗝

面试官：详细说说CopyOnWriteArrayList

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CopyOnWriteArrayList 详解

CopyOnWriteArrayList 是 Java 并发包（java.util.concurrent）中提供的线程安全列表，基于“写时复制”（Copy-On-Write）机制实现。它适用于读多写少的高并发场景，如事件监听器列表、配置管理等。

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核心特性

特性	说明
线程安全	读操作无锁，写操作通过锁保证线程安全。
数据一致性	读操作基于快照，迭代期间不会抛出 ConcurrentModificationException。
写开销	每次修改操作会复制底层数组，内存占用较高。
适用场景	读操作频繁，写操作极少（如监听器管理、配置存储）。

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底层实现

1. 数据结构

   • 基于动态数组（volatile Object[] array）存储数据。
   • 所有读操作直接访问当前数组，无需同步。

2. 写时复制（COW）

   • 修改操作流程：
     1. 加锁（ReentrantLock）。
     2. 复制原数组，生成新数组。
     3. 在新数组上执行修改操作。
     4. 将底层数组引用指向新数组（setArray(newArray)）。
     5. 释放锁。
   • 代码示例（add 方法）：

     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();
         }
     }
     

3. 迭代器

   • 基于迭代器创建时的数组快照遍历数据。
   • 不支持修改操作（如 remove、set），调用会抛出 UnsupportedOperationException。
   • 代码示例：

     public Iterator<E> iterator() {
         return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
     }
     

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优点与缺点

优点	缺点
读操作无锁，性能极高。	写操作内存开销大（复制全量数据）。
避免并发修改异常（ConcurrentModificationException）。	数据弱一致性（读操作可能不反映最新状态）。
实现简单，适合读多写少场景。	写操作频繁时性能急剧下降。

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适用场景

1. 监听器列表：
   如 GUI 事件监听器，注册后极少修改，但频繁触发事件（读）。

   // 添加监听器（写操作少）
   listeners.add(new Listener());
   
   // 触发事件（读操作多）
   for (Listener listener : listeners) {
       listener.onEvent();
   }
   

2. 配置管理：
   系统配置通常加载后很少修改，但频繁读取。

   CopyOnWriteArrayList<Config> configs = loadConfigs();
   // 读取配置（无锁）
   String value = configs.get(0).getProperty("key");
   

3. 缓存快照：
   需要缓存某个时间点的数据快照供查询。

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性能对比

操作	ArrayList	CopyOnWriteArrayList	Collections.synchronizedList
读（单线程）	O(1)（最快）	O(1)（无锁，快）	O(1)（同步开销，较慢）
读（高并发）	非线程安全，需外部同步	O(1)（无锁，最快）	O(1)（同步开销，慢）
写（单线程）	O(1)（快）	O(n)（复制数组，慢）	O(1)（同步开销，较慢）
写（高并发）	非线程安全	O(n)（锁竞争，最慢）	O(1)（同步开销，慢）

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注意事项

1. 避免频繁写操作：
   批量写入时，优先使用 addAll 代替多次 add，减少数组复制次数。

   // 不推荐
   for (String item : items) {
       list.add(item);
   }
   
   // 推荐
   list.addAll(items);
   

2. 迭代器弱一致性：
   迭代器遍历的是创建时的快照，可能无法感知后续修改。

   CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
   Iterator<Integer> it = list.iterator();
   list.add(4);
   while (it.hasNext()) {
       System.out.print(it.next()); // 输出 1,2,3（不包含4）
   }
   

3. 内存监控：
   大对象或超大数组可能导致内存压力，需监控堆内存使用。

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• 使用场景：读多写少，允许数据弱一致性。
• 替代方案：
  • 写多读少：考虑 ConcurrentLinkedQueue 或 ConcurrentHashMap。
  • 强一致性需求：使用锁或 synchronizedList。
• 最佳实践：结合业务特点选择数据结构，必要时进行性能压测。