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浅析CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList引入

模拟传统的ArrayList出现线程不安全的现象

public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        //List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        List<String> list = new ArrayList<>();

        //开启50个线程往ArrayList中添加数据
        for (int i = 1; i <= 50; i++) {
            new Thread(() -> {
                list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0, 5));
                System.out.println(list);
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

    }
}

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运行结果如下:由于fail-fast机制的存在,抛出了modcount修改异常的错误(modcount是ArrayList源码中的一个变量,用来表示修改的次数,因为ArrayList不是为并发情况而设计的集合类)

如何解决该问题呢?

方式一:可以使用Vector集合,Vector集合是线程安全版的ArrayList,其方法都上了一层synchronized进行修饰,采取jvm内置锁来保证其并发情况下的原子性、可见性、有序性。但同时也带来了性能问题,因为synchronized一旦膨胀到重量级锁,存在用户态到和心态的一个转变,多线程的上下文切换会带来开销。另一个问题是Vector集合的扩容没有ArrayList的策略好

List<String> list = new Vector<>();

方式二:使用Collections.synchronizedList

List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

方式三:采用JUC提供的并发容器,CopyOnWriteArrayList

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList浅析

和ArrayList一样,其底层数据结构也是数组,加上transient不让其被序列化,加上volatile修饰来保证多线程下的其可见性和有序性

先来看看其构造函数是怎么一回事

    public CopyOnWriteArrayList() {
       //默认创建一个大小为0的数组
        setArray(new Object[0]);
    }

    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }
	
    public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
        Object[] elements;
        //如果当前集合是CopyOnWriteArrayList的类型的话,直接赋值给它
        if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
            elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
        else {
         	//否则调用toArra()将其转为数组   
            elements = c.toArray();
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elements.getClass() != Object[].class)
                elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
        }
        //设置数组
        setArray(elements);
    }
	
    public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
        //将传进来的数组元素拷贝给当前数组
        setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
    }
	
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在来看看其读数据的几个操作,可见都没上锁,这就奇怪了,那如何去保证线程安全呢?

    final Object[] getArray() {
        return array;
    }
    public int size() {
        return getArray().length;
    }
   public boolean isEmpty() {
        return size() == 0;
    }
    public int indexOf(E e, int index) {
        Object[] elements = getArray();
        return indexOf(e, elements, index, elements.length);
    }
    public int lastIndexOf(Object o) {
        Object[] elements = getArray();
        return lastIndexOf(o, elements, elements.length - 1);
    }
	
	........
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在来看看其修改时的add函数

    public boolean add(E e) {
        //使用ReentrantLock上锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            //调用getArray()获取原来的数组
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            //复制老数组,得到一个长度+1的数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            //添加元素,在用setArray()函数替换原数组
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
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可见其修改操作是基于fail-safe机制,像我们的String一样,不在原来的对象上直接进行操作,而是复制一份对其进行修改,另外此处的修改操作是利用Lock锁进行上锁的,所以保证了线程安全问题。

在来看看remove操作,看是不是如此做的

    public boolean remove(Object o) {
        Object[] snapshot = getArray();
        int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);
        return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
    }

    private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //上锁
        lock.lock();
        try {
            Object[] current = getArray();
            int len = current.length;
            if (snapshot != current) findIndex: {
                int prefix = Math.min(index, len);
                for (int i = 0; i < prefix; i++) {
                    if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {
                        index = i;
                        break findIndex;
                    }
                }
                if (index >= len)
                    return false;
                if (current[index] == o)
                    break findIndex;
                index = indexOf(o, current, index, len);
                if (index < 0)
                    return false;
            }
            //复制一个数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(current, index + 1,
                             newElements, index,
                             len - index - 1);
            //替换原数组
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

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可见其思路是一致的,我们在与ArrayList去对比一下,可见其效率比ArrayList低不少,毕竟多线程场景下,其每次都是要在原数组基础上复制一份在操作耗内存和时间,而ArrayList只是容量满了进行扩容,因此在非多线程的场景下还是用ArrayList吧。

这也解决了我之前的疑问,为啥还学ArrayList呢,JUC版的CopyOnWriteArrayList可以干ArrayList干不了的事,咱们直接用CopyOnWriteArrayList不也挺香。

小结

  • CopyOnWriteArrayList适合于多线程场景下使用,其采用读写分离的思想,读操作不上锁,写操作上锁,且写操作效率较低
  • CopyOnWriteArrayList基于fail-safe机制,每次修改都会在原先基础上复制一份,修改完毕后在进行替换
  • CopyOnWriteArrayList采用的是ReentrantLock进行上锁。
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