CopyOnWriteArrayList 源码解析

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我不停奔跑只为追赶当年被寄予厚望的自己。
——利文斯顿

0 前言

我们知道 ArrayList 非线程安全，需要自己加锁或者使用 Collections.synchronizedList 包装.
从JDK1.5开始JUC里提供了使用 CopyOnWrite 机制实现的并发容器线程安全的 List - CopyOnWriteArrayList,简称 COW

1 CopyOnWrite 设计思想

1.1 基本概念

CopyOnWrite 写时复制.
一般来说就是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器复制出一个新的容器，往新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器引用指向新容器.
即一开始大家都在共享同一内容，当有人想修改该内容时，才会真地把内容copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略.

1.2 设计优点

可并发读 CopyOnWrite 容器,而无需加锁，因为当前容器不会添加任何元素.
所以这也是一种读写分离的思想，读写的是不同的容器.

2 继承体系

• 和 ArrayList 的继承体系类似
  
  

3 属性

• 保护所有更改器的锁
  
• 仅能通过getArray / setArray访问的数组
  
• lock 内存偏移量
  

4 构造方法

4.1 无参

• 创建一个空 list
  

4.2 有参

• 创建一个列表，该列表包含指定集合的元素，其顺序由集合的迭代器返回。
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• 创建一个保存给定数组副本的列表
  

下面开始看源码,到底是如何实现写时复制的.

5 add(E e)

向 COW 里添加元素，是需要加锁的，否则并发写时 copy 出N个副本!

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 1.加锁
    lock.lock();
    try {
        // 得到原数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 2.复制出新数组,加一是因为要添加yi'ge'yuan's
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 把新元素添加到新数组里,直接放在数组尾部
        newElements[len] = e;
        // 把原数组引用指向新数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // finally 里面释放锁，保证即使 try 发生了异常，仍然能够释放锁
        lock.unlock();
    }
}

getArray

• 获取数组.非priavte，以便也可以从CopyOnWriteArraySet类(直接组合了CopyOnWriteArrayList作为成员变量)访问
  

setArray

• 将引用设置到新数组
  

都加锁,为什么还需要拷贝数组,而不直接在原数组修改?

• volatile 修饰的是数组引用!简单的在原来数组修改几个元素的值,这种操作是无法发挥可见性的,必须通过修改数组内存地址
• 在新数组上执行 copyOf，对原数组无任何影响，只有新数组完全拷贝完成之后，外部才能访问，避免了原数组数据变动可能造成的不良影响

6 get

get(int index)

• 读指定位置元素
  

get(Object[] a, int index)

读时无需加锁，如果读时其它线程正在向ArrayList添加数据，读还是只会读到旧数据，因为写时并不会锁住旧的数组.

7 remove

7.1 指定索引删除

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 先得到旧值
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        // 如果要删除的数据正好是数组的尾部，直接删除
        if (numMoved == 0)
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            // 若删除的数据在数组中间：
            // 1. 设置新数组的长度减一，因为是减少一个元素
            // 2. 从 0 拷贝到数组新位置
            // 3. 从新位置拷贝到数组尾部
            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 {
        lock.unlock();
    }
}

依旧三板斧:

1. 加锁
2. 根据删除索引的位置，进行不同策略拷贝
3. 解锁

7.2 批量删除

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    if (c == null) throw new NullPointerException();
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (len != 0) {
            // newlen 表新数组的索引位置，新数组中存在不包含在 c 中的元素
            int newlen = 0;
            Object[] temp = new Object[len];
            // 循环，把不包含在 c 里面的元素，放到新数组中
            for (int i = 0; i < len; ++i) {
                Object element = elements[i];
                // 不包含在 c 中的元素，从 0 开始放到新数组中
                if (!c.contains(element))
                    temp[newlen++] = element;
            }
            // 拷贝新数组，变相的删除了不包含在 c 中的元素
            if (newlen != len) {
                setArray(Arrays.copyOf(temp, newlen));
                return true;
            }
        }
        return false;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

并非直接对数组元素逐个删除，而先对数组值循环判断，将无需删除的数据放到临时数组，最后临时数组中的数据就是我们不需要删除的数据.

8 总结

CopyOnWrite 并发容器适用于读多写少的并发场景.CopyOnWrite容器有很多优点，但同时也存在问题,开发时候需要注意:

内存占用问题

写时，内存里会同时驻存两个对象的内存，旧对象和新写入对象（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）.若这些对象占用内存较大，很可能造成频繁GC,应用响应时间也变长.
针对该问题，可通过压缩容器中元素,减少大对象的内存,或者直接不使用CopyOnWrite容器，而使用其他并发容器，如ConcurrentHashMap。

数据一致性问题

CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性,请酌情使用.