CopyOnWriteArrayList的增删改查实现原理

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篇文章的目的如下：

了解一下ArrayList和CopyOnWriteArrayList的增删改查实现原理
看看为什么说ArrayList查询快而增删慢？
CopyOnWriteArrayList为什么并发安全且性能比Vector好

1. List接口

首先我们来看看List接口，因为ArrayList和CopyOnWriteArrayList都是实现了List接口，我们今天主要是研究增删改查原理，所以只看相应的方法即可。

public interface List<E> extends Collection<E> { int size(); boolean isEmpty(); boolean contains(Object o); Iterator<E> iterator(); Object[] toArray(); <T> T[] toArray(T[] a); boolean add(E e); boolean remove(Object o); boolean containsAll(Collection<?> c); boolean addAll(Collection<? extends E> c); boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c); boolean removeAll(Collection<?> c); boolean retainAll(Collection<?> c); void clear(); boolean equals(Object o); int hashCode(); E get(int index); E set(int index, E element); void add(int index, E element); E remove(int index); int indexOf(Object o); int lastIndexOf(Object o); ListIterator<E> listIterator(); ListIterator<E> listIterator(int index); List<E> subList(int fromIndex, int toIndex); }

2 ArrayList

2.1 几个重点

底层是数组，初始大小为10
插入时会判断数组容量是否足够，不够的话会进行扩容
所谓扩容就是新建一个新的数组，然后将老的数据里面的元素复制到新的数组里面
移除元素的时候也涉及到数组中元素的移动，删除指定index位置的元素，然后将index+1至数组最后一个元素往前移动一个格

2.2 增删改查

1）增

 public boolean add(E e) { //进行数组容量判断，不够就扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } public void add(int index, E element) { //检查是否会越界 rangeCheckForAdd(index); //进行数组容量判断，不够就扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! //将index至数据最后一个元素整体往后移动一格，然后插入新的元素 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; }

2）删

public E remove(int index) {
    //判断是否越界
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index); int numMoved = size - index - 1; //若该元素不是最后一个元素的话，将index+1至数组最后一个元素整体向前移动一格 if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work return oldValue; }

3）改

 
public E set(int index, E element) {
    rangeCheck(index);

    E oldValue = elementData(index);
    elementData[index] = element; return oldValue; }

逻辑很简单，将数组对应index的元素进行替换

4）查

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);

    return elementData(index); } E elementData(int index) {return (E) elementData[index]; }

逻辑很简单，进行数组越界判断，获取数组对应index的元素

2.3 总结

以上部分就是ArrayList的增删改查原理，以此也可以解答我们第二个问题了，ArrayList的底层是数组，所以查询的时候直接根据索引可以很快找到对应的元素，改也是如此，找到index对应元素进行替换。而增加和删除就涉及到数组元素的移动，所以会比较慢。

3 CopyOnWriteArrayList

3.1 几个要点

实现了List接口
内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
底层是用volatile transient声明的数组 array
读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array

3.2 增删改查

1）增

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock; //获得锁 lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; //复制一个新的数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //插入新值 newElements[len] = e; //将新的数组指向原来的引用 setArray(newElements); return true; } finally { //释放锁 lock.unlock(); } } public void add(int index, E element) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; if (index > len || index < 0) throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+ ", Size: "+len); Object[] newElements; int numMoved = len - index; if (numMoved == 0) newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); else { newElements = new Object[len + 1]; System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1, numMoved); } newElements[index] = element; setArray(newElements); } finally { lock.unlock(); } }

2）删

public E remove(int index) { final ReentrantLock lock = this.lock; //获得锁 lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; E oldValue = get(elements, index); int numMoved = len - index - 1; if (numMoved == 0) //如果删除的元素是最后一个，直接复制该元素前的所有元素到新的数组 setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); else { //创建新的数组 Object[] newElements = new Object[len - 1]; //将index+1至最后一个元素向前移动一格 System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved); setArray(newElements); } return oldValue; } finally { lock.unlock(); } }

3）改

public E set(int index, E element) { final ReentrantLock lock = this.lock; //获得锁 lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); E oldValue = get(elements, index); if (oldValue != element) { int len = elements.length; //创建新数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len); //替换元素 newElements[index] = element; //将新数组指向原来的引用 setArray(newElements); } else { // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics setArray(elements); } return oldValue; } finally { //释放锁 lock.unlock(); } }

4）查

//直接获取index对应的元素
public E get(int index) {return get(getArray(), index);} private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}

3.3 总结

从以上的增删改查中我们可以发现，增删改都需要获得锁，并且锁只有一把，而读操作不需要获得锁，支持并发。为什么增删改中都需要创建一个新的数组，操作完成之后再赋给原来的引用？这是为了保证get的时候都能获取到元素，如果在增删改过程直接修改原来的数组，可能会造成执行读操作获取不到数据。

4 CopyOnWriteArrayList为什么并发安全且性能比Vector好

我知道Vector是增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况。

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