一、CopyOnWriteArrayList 概述
1.1 概念概述
CopyOnWriteArrayList 是 juc 包下一个线程安全的并发容器，底层使用数组实现。CopyOnWrite 顾名思义是写时复制的意思，其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，会把内容 Copy 出去形成一个新的内容然后再进行修改，这是一种延时懒惰策略。
假设往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是加锁后先将当前容器进行 Copy，复制出一个新的容器，然后在新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器，最后释放锁。这样做的好处是我们可以对 CopyOnWrite 容器进行并发的读，而不需要加锁，只有在修改时才加锁，从而达到读写分离的效果。
1.2 特性
- 每次对数组中的元素进行修改时都会创建一个新数组，因此没有扩容机制
- 读元素不加锁，修改元素时才加锁
- 允许存储
null元素 CopyOnWriteArraySet底层原理使用的是CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArrayList使用与读多写少的场景，如果写场景比较多的场景下比较消耗内存
1.3 图解
下面是一个 CopyOnWriteArrayList 的原理图：
二、源码分析
2.1 内部属性与相关方法
/**
* 显示锁对象
*/
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/**
* 内部底层数组，volatile 关键字修饰
*/
private transient volatile Object[] array;
/**
* 返回内部 array
*/
final Object[] getArray() {
return array;
}
/**
* 设置 array
*/
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
CopyOnWriteArrayList 写锁使用的是 ReentrantLock，底层是一个被 volatile 关键字修饰的数组。构造函数相对来说也比较简单，就不介绍了，有兴趣的可以自己查看下。
2.2 add 方法
public boolean add(E e) {
// 加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 把原数组中的元素拷贝到新数组中，并使数组容量 + 1
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 新元素添加到新数组中
newElements[len] = e;
// 重新赋值 array
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
源码很容易理解，添加元素的时候，创建一个新数组，长度为原数组长度加 1，将原数组中的元素拷贝到新数组中，在新数组中插入元素即可。
2.3 get 方法
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
注意：获取元素的方法是不需要加锁的。
2.4 remove 方法
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 获取指定位置上的元素值
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
// 如果移除的是数组中最后一个元素，复制元素时直接舍弃最后一个
if (numMoved == 0)
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
// 初始化新数组为原数组长度减 1
Object[] newElements = new Object[len - 1];
// 分两次完成元素拷贝
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
// 重置 array
setArray(newElements);
}
// 返回老 value
return oldValue;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
删除指定位置上的元素时会创建一个原数组长度减 1 的新数组，然后以 index 索引为标记，分两次拷贝，将元素拷贝到新数组中。
2.5 addIfAbsent 方法
总的来说，CopyOnWriteArrayList 内部的方法都比较容易理解，相对比较难理解的有两个方法：
remove(Object o)：移除指定的元素值（只会移除第一次出现的）addIfAbsent(E e)：元素不存在的条件下才添加
这两个方法都涉及到了快照（snapshot）对象，下面是具体代码：
public boolean addIfAbsent(E e) {
// 因为这里不加锁，因此使用快照对象
Object[] snapshot = getArray();
// 从头开始查找，如果该元素已存在，则返回 false，不存在才添加
return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
addIfAbsent(e, snapshot);
}
indexof 方法用于返回指定元素在原数组中的位置，不存在返回 -1，下面是源代码：
private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
int index, int fence) {
// null 与非 null 元素走不同的查找逻辑
if (o == null) {
for (int i = index; i < fence; i++)
if (elements[i] == null)
return i;
} else {
for (int i = index; i < fence; i++)
if (o.equals(elements[i]))
return i;
}
// 没有该元素返回 -1
return -1;
}
接下来就是一个比较高能的方法了：
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
// 加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 获取当前数组
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
/**
* 并发环境下造成的不一致情况
* 因为获取快照数组的时候没有加锁，别的线程可能修改了原数组，
* 就会造成快照数组与原数组不一致
*/
if (snapshot != current) {
// Optimize for lost race to another addXXX operation
// 获取较小的数组长度
int common = Math.min(snapshot.length, len);
// 可以分两种情况考虑，1 添加的时候删除了元素 2 一直添加元素
for (int i = 0; i < common; i++)
// 如果添加的元素在原数组中存在，则结束循环
if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
return false;
// 和上面的 for 循环正好组成一个数组大小，用于判断原数组中是否已经存在添加的元素
if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
return false;
}
// 要添加的元素在原数组中不存在
Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
在并发情况下，因为获取的快照数组与原数组可能不一致（假如别的线程已经新增了元素），因此需要重新判断添加的元素是否已经存在。
⚠️：大家可能会问直接加锁不就解决问题了吗，为什么非要搞一个快照文件呢？搞得这么麻烦，因为使用快照数组在访问非常频繁的情况下可以提升一点性能。另一个并发容器 CopyOnWriteArrayList 底层就是用 CopyOnWriteArrayList 存储元素，它的添加方法调用的就是 addIfAbsent 方法，这样就不难理解为什么要这么做了。
另外一个方法 remove(Object o) 也用到了快照数组，比 addIfAbsent 稍微难理解一点，有兴趣的可以自己查看。
jdk1.8 源码阅读：https://github.com/zchen96/jdk1.8-source-code-read