### 5분 안에 0에서 1까지 CopyOnWriteArrayList를 살펴보세요.
### 서문
최근 기사들은 모두 동시성 프로그래밍에 관해 작성되었으며, 이 기간 동안 동시성 패키지의 일부 동시 컨테이너에 대해 작성하고 하나씩 분석하여 동시성 패키지의 동시성 컨테이너에 대해 철저히 이해하겠습니다.
`CopyOnWriteArrayList`를 살펴보기 전에 먼저 `ArrayList`를 동시 시나리오에서 사용할 수 없는 이유에 대해 이야기해 보겠습니다.
### 동시 시나리오의 ArrayList
**ArrayList 배열은 동적 확장 및 임의 액세스를 지원합니다...**
일상 작업에서 가장 일반적으로 사용되는 컬렉션 클래스이므로 이미 익숙하다고 생각하지만 이러한 종류의 컬렉션은 동시 시나리오에서는 안전하지 않습니다.
**동시 읽기 및 쓰기가 발생하면 JDK는 `ConcurrentModificationException` 동시 수정 예외를 발생시키는 `fail-fast` 메커니즘을 제공합니다**
예를 들어 다음 코드를 살펴보세요. 10개의 스레드를 시작하여 컬렉션에 요소를 추가한 다음 이를 읽으면 동시 수정 예외가 발생합니다.
``java
public void testCopyOnWriteArrayList()가 InterruptedException을 발생시킵니다. {
List<String> list = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()-> {
list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
System.out.println( 목록);
},String.valueOf(i)).start();
}
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
}
````
콘솔에 인쇄할 때 컬렉션의 `toString` 메서드가 실제로 호출됩니다.
상위 클래스 `AbstractCollection`은 `toString` 메서드를 재정의합니다. 반복자를 사용하여 배열을 순회하고 문자열과 연결합니다.
``java
public String toString() {
Iterator<E> it = iterator();
if (!it.hasNext())
return "[]";
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append('[');
for (;;) {
E e = it.next();
sb.append(e == this ? "(이 컬렉션)" : e);
if (!it.hasNext())
return sb.append(']').toString();
sb.append(',').append(' ');
}
}
```
그렇다면 빠른 실패는 어떻게 달성됩니까?
추가, 삭제, 수정 등 컬렉션에 대한 쓰기 작업을 수행할 때 내부 필드 'modCount'가 증가하여 수정 횟수를 나타냅니다.
**반복자를 가져올 때 `modCount`는 반복자 내부의 `expectedModCount` 필드에 할당됩니다**
**반복자를 순회할 때 두 필드가 동일한지 확인하고, 다르다면 다른 스레드가 쓰기 작업을 수행하고 있다는 의미이므로 동시 수정 예외**가 발생하여 빠른 실패를 달성합니다.
``java
final void checkForComodification() {
if (modCount != ExpectModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
````
### 동시 시나리오의 솔루션
그런데 ArrayList는 동시 시나리오에서 사용할 수 없습니다. 그렇다면 해결책은 무엇입니까?
고대 버전에서는 동시 시나리오에서 `Vector` 또는 `Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())`를 사용합니다.
읽기 및 쓰기 작업은 모두 '동기화'로 잠겨 원자성을 보장합니다.
어떤 학생들은 '동기화'의 성능이 너무 나빠서 사용하지 않는다고 말합니다.
그런데 잠금 업그레이드 및 최적화 후에도 `동기화` 성능이 여전히 좋지 않습니까? 관심 있으신 분들은 [Synchronized에 대한 이해를 돕기 위한 15,000단어, 6개의 코드 케이스, 5개의 회로도](https://juejin.cn/post/7272015112819556412)를 확인하실 수 있습니다.
사실 잠금의 세분성이 너무 크다고 생각합니다. 동시 시나리오에서 읽기 작업은 잠금을 통해 액세스해야 합니까?
휘발성에 익숙한 학생들은 그것이 필요하지 않다는 것을 알아야 합니다.
동시 읽기 및 쓰기에서 해결해야 할 문제는 스레드가 컬렉션을 수정할 때 다른 스레드가 이를 읽을 때 어떻게 표시할 수 있는지, 즉 가시성을 어떻게 확보할 수 있는가 하는 것입니다.
가시성을 보장하려면 휘발성을 사용하고 읽기 시나리오에서는 잠금이 필요하지 않습니다.
이해가 안 되시면 [0~1까지의 휘발성 키워드를 이해하는데 도움이 되는 5가지 사례와 흐름도](https://juejin.cn/post/7270869041631002636)를 참고하시면 됩니다.
오랜 준비 끝에 이번 글의 주인공 `CopyOnWriteArrayList`를 살펴보겠습니다.
### CopyOnWrite
`CopyOnWriteArrayList`는 이름에서 `CopyOnWrite`처럼 보입니다. 이는 쓰기 중 복사를 의미합니다.
글을 쓰면서 COW를 베끼는 아이디어는 무엇인가요?
**COW는 쓰기 시 원본 데이터를 복사하고, 쓰기 후에 다시 설정하는 것입니다**
이 아이디어는 동시성 시나리오에서 매우 일반적입니다. 예를 들어 Redis 영구 RDB 및 AOF 파일은 COW를 사용합니다. MySQL에 의해 구현된 MVCC 버전 체인
### CopyOnWriteArrayList
다음으로 소스코드에서 어떻게 구현되는지 살펴보겠습니다.
생성하는 동안 길이가 0인 배열이 초기화됩니다.
이상하긴 하지만 COW를 생각해보면 글을 쓸 때 데이터의 복사본을 복사한 뒤 다시 설정하면 바로 정상이 됩니다.
``java
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
공개 CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}
````
읽기 작업을 살펴보겠습니다.
``java
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
````
읽기 작업은 특정 인덱스의 데이터를 읽는 데 매우 일반적입니다.
잠금을 사용하지 않으므로 데이터를 저장하는 필드는 휘발성을 사용해야 합니다.
``java
private 임시 휘발성 Object[] 배열;
````
이런 종류의 휘발성은 가시성을 보장하며, 동시 시나리오에서 잠금 없이 읽기 작업을 허용한다는 아이디어도 매우 일반적입니다.예를 들어 AQS의 휘발성은 동기화 상태 가시성을 보장합니다.
다음으로 쓰기 작업을 살펴보겠습니다 - 추가
``java
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//Lock
lock.lock();
try {
//원본 배열 가져오기
Object[] elements = getArray();
int len = elements .length;
//원래 배열의 데이터를 새 배열에 복사합니다.
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//새 데이터 추가
newElements[len] = e;
//재설정 새로운 배열 back
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//Unlock
lock.unlock();
}
}
```
동시 쓰기 중에 하나의 스레드만 쓰기 작업을 수행할 수 있도록 쓰기 작업 중에 잠금이 수행되므로 스레드 안전성이 보장됩니다.
복사에는 성능이 더 좋은 `System.arrayCopy`가 사용되지만 쓰기 작업이 너무 많으면 성능 오버헤드도 너무 커집니다.
``java
public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<?extends T[]> newType) { @SuppressWarnings("unchecked ") //새 배열
생성
T
[ ] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
? (T[]) new Object[newLength]
: (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
/ / 이전 배열의 이전 데이터를 새 배열로 복사합니다
. System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
Math.min(original.length, newLength));
return copy;
}
```
반복자를 얻을 때 원본 데이터를 사용하여 새 객체가 생성된 다음 이 객체에서 반복됩니다.
따라서 스레드 안전하지 않은 동시 수정 문제가 발생하지 않습니다. 이는 동시성 패키지에 제공되는 오류 방지 메커니즘입니다.
``java
public Iterator<E> iterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
````
### 사용 장면
분석 후에는 'CopyOnWriteArrayList'의 특성을 알 수 있으므로 이에 적용 가능한 사용 시나리오를 분석할 수 있습니다.
**휘발성을 사용하여 메모리 가시성을 보장하고 읽기 작업에는 잠금이 필요하지 않으므로 성능이 매우 좋습니다. 배열에 대한 무작위 액세스와 결합하면 읽기 시나리오에 매우 적합합니다**
**쓰기 작업을 수행할 때 JUC에서 'ReentrantLock'을 사용하여 원자성을 보장하기 위해 잠금 및 잠금 해제를 해야 하며, 쓰기 중에 데이터를 복사해야 하므로 데이터 복사에 오버헤드가 발생하므로 쓰기 작업이 빈번한 시나리오에는 적합하지 않습니다**
**데이터 볼륨이 점점 커지면 쓰기 작업을 위해 더 많은 데이터가 복사되므로 쓰기 작업 전에 많은 양의 데이터를 저장하는 데 적합하지 않습니다**
**안전한 실패를 제공합니다.iterator를 사용할 때 반드시 최신 실시간 데이터가 반복되는 것은 아니지만 동시 수정 예외는 발생하지 않습니다**
### 요약하다
**`ArrayList`는 `fail-fast` 빠른 실패 메커니즘을 제공합니다. 동시 읽기 및 쓰기 시나리오에서 이 메커니즘은 빠른 실패를 달성하기 위해 동시 수정 예외를 발생시키는 데 사용됩니다. 동시 시나리오에서는 안전하지 않습니다**
**동시 시나리오에는 많은 솔루션이 있지만 `CopyOnWriteArrayList`는 `Vector` 또는 `Collections.synchronizedList(new ArrayList<>())`보다 잠금 세분성이 낮고 성능이 더 좋습니다**
**`CopyOnWriteArrayList`는 읽기 시나리오를 잠그지 않고 가시성을 보장하기 위해 휘발성을 사용하여 배열을 수정합니다**
**쓰기 작업의 원자성을 보장하기 위해 쓰기 시나리오에서 'ReentrantLock'을 사용합니다. 쓰기 시 원본 데이터의 복사본이 먼저 복사된 다음 수정 후 새 데이터로 설정됩니다**
**iterator를 얻을 때, iteration을 위해 원본 데이터를 통해 새로운 객체도 생성됩니다. 이를 통해 데이터가 최신이 아닐지라도 예외가 발생하지 않습니다**
**`CopyOnWriteArrayList`는 데이터 양이 크지 않고, 읽기는 많고 쓰기는 적으며, 반복 중에 약한 일관성이 허용될 수 있는 시나리오에 적합합니다**
**데이터 양이 특히 많고 쓰기 작업이 많은 시나리오에서는 쓰기 중 복사의 오버헤드가 매우 높을 수 있으므로 사용하지 마세요**
### 마지막으로 (성매매를 괜히 이용하지 마시고 3번 연속으로 눌러 도움을 요청하세요~)
본 글은 [점에서 선으로, 선에서 표면으로, 간단한 용어로 자바 동시 프로그래밍 지식 시스템 구축](https://juejin.cn/column/7270046881542766604) 칼럼에 포함되어 있습니다. .
이 글의 노트와 사례는 [gitee-StudyJava](https://gitee.com/tcl192243051/StudyJava), [github-StudyJava](https://github.com/Tc-liang/StudyJava)에 포함되어 있습니다. 관심있는 분들은 계속해서 팔로우 하시면 됩니다~
케이스 주소:
[Gitee-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/F_Collections](https://gitee.com/tcl192243051/StudyJava/tree/master/Java 동시 프로그래밍/JavaConcurrentProgramming/src/main/java/F_Collections)
[Github-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/F_Collections](https://github.com/Tc-liang/StudyJava/tree/main/%E6%B7%B1%E5%85%A5%E6%B5%85 %E5%87%BAJava%E5%B9%B6%E5%8F%91%E7%BC%96%E7%A8%8B/JavaConcurrentProgramming/src/main/java/F_Collections)
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