什么是CopyOnWrite容器
在说到CopyOnWrite容器之前我们先来谈谈什么是CopyOnWrite机制,CopyOnWrite是计算机设计领域中的一种优化策略,也是一种在并发场景下常用的设计思想——写入时复制思想。
那什么是写入时复制思想呢?就是当有多个调用者同时去请求一个资源数据的时候,有一个调用者出于某些原因需要对当前的数据源进行修改,这个时候系统将会复制一个当前数据源的副本给调用者修改。
CopyOnWrite容器即写时复制的容器,当我们往一个容器中添加元素的时候,不直接往容器中添加,而是将当前容器进行copy,复制出来一个新的容器,然后向新容器中添加我们需要的元素,最后将原容器的引用指向新容器。
这样做的好处在于,我们可以在并发的场景下对容器进行"读操作"而不需要"加锁",从而达到读写分离的目的。从JDK 1.5 开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器 ,分别是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet 。我们着重给大家介绍一下CopyOnWriteArrayList。
CopyOnWriteArrayList
优点: CopyOnWriteArrayList经常被用于“读多写少”的并发场景,是因为CopyOnWriteArrayList无需任何同步措施,大大增强了读的性能。在Java中遍历线程非安全的List(如:ArrayList和 LinkedList)的时候,若中途有别的线程对List容器进行修改,那么会抛出ConcurrentModificationException异常。CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离",遍历和修改操作分别作用在不同的List容器,所以在使用迭代器遍历的时候,则不会抛出异常。
缺点: 第一个缺点是CopyOnWriteArrayList每次执行写操作都会将原容器进行拷贝了一份,数据量大的时候,内存会存在较大的压力,可能会引起频繁Full GC(ZGC因为没有使用Full GC)。比如这些对象占用的内存比较大200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会多占用300M。
第二个缺点是CopyOnWriteArrayList由于实现的原因,写和读分别作用在不同新老容器上,在写操作执行过程中,读不会阻塞,但读取到的却是老容器的数据。
现在我们来看一下CopyOnWriteArrayList的add操作源码,它的逻辑很清晰,就是先把原容器进行copy,然后在新的副本上进行“写操作”,最后再切换引用,在此过程中是加了锁的。
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();
}
}
我们再来看一下remove操作的源码,remove的逻辑是将要remove元素之外的其他元素拷贝到新的副本中,然后切换引用,再将原容器的引用指向新的副本中,因为remove操作也是“写操作”所以也是要加锁的。
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();
}
}
我们再来看看CopyOnWriteArrayList效率最高的读操作的源码
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
由上可见“读操作”是没有加锁,直接读取。
总结
CopyOnWrite容器有数据一致性的问题,它只能保证最终数据一致性。
所以如果我们希望写入的数据马上能准确地读取,请不要使用CopyOnWrite容器。