图解集合 3 ： CopyOnWriteArrayList

初识CopyOnWriteArrayList

第一次见到CopyOnWriteArrayList，是在研究JDBC的时候，每一个数据库的Driver都是维护在一个CopyOnWriteArrayList中的，为了证明这一点，贴两段代码，第一段在com.mysql.jdbc.Driver下，也就是我们写Class.forName(“…”)中的内容：

public class Driver extends NonRegisteringDriver  implements java.sql.Driver{  public Driver()    throws SQLException  {  }  static  {    try    {      DriverManager.registerDriver(new Driver());    } catch (SQLException E) {      throw new RuntimeException("Can't register driver!");    }  }}

看到com.mysql.jdbc.Driver调用了DriverManager的registerDriver方法，这个类在java.sql.DriverManager下：

public class DriverManager{    private static final CopyOnWriteArrayList<DriverInfo>     registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList();    private static volatile int loginTimeout = 0;    private static volatile PrintWriter logWriter = null;    private static volatile PrintStream logStream = null;    private static final Object logSync = new Object();    static final SQLPermission SET_LOG_PERMISSION = new    SQLPermission("setLog");    ...}

看到所有的DriverInfo都在CopyOnWriteArrayList中。既然看到了CopyOnWriteArrayList，我自然免不了要研究一番为什么JDK使用的是这个List。

首先提两点：

1. CopyOnWriteArrayList位于java.util.concurrent包下，可想而知，这个类是为并发而设计的

2. CopyOnWriteArrayList，顾名思义，Write的时候总是要Copy，也就是说对于CopyOnWriteArrayList，任何可变的操作（add、set、remove等等）都是伴随复制这个动作的，后面会解读CopyOnWriteArrayList的底层实现机制。

四个关注点在CopyOnWriteArrayList上的答案

添加元素

对于CopyOnWriteArrayList来说，增加、删除、修改、插入的原理都是一样的，所以用增加元素来分析一下CopyOnWriteArrayList的底层实现机制就可以了。先看一段代码：

public static void main(String[] args){     List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();     list.add(1);     list.add(2);}

看一下这段代码做了什么，先是第3行的实例化一个新的CopyOnWriteArrayList：

public class CopyOnWriteArrayList<E>    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;    /** The lock protecting all mutators */    transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();    /** The array, accessed only via getArray/setArray. */    private volatile transient Object[] array;    ...}public CopyOnWriteArrayList() {    setArray(new Object[0]);}final void setArray(Object[] a) {    array = a;}

看到，对于CopyOnWriteArrayList来说，底层就是一个Object[] array，然后实例化一个CopyOnWriteArrayList,长度为0的Object数组。
就是这样，Object array指向一个数组大小为0的数组。接着看一下，第4行的add一个整数1做了什么，add的源代码是：

public boolean add(E e) {//加锁final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {    //得到源数组    Object[] elements = getArray();    //得到元数组的长度    int len = elements.length;    //获得新数组    Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);    //将元素复制    newElements[len] = e;    //改变源数组索引    setArray(newElements);    return true;} finally {    //解锁    lock.unlock();}}

每一步都清楚地表示在图上了，一次add大致经历了几个步骤：

1. 加锁

2. 拿到原数组，得到新数组的大小（原数组大小+1），实例化出一个新的数组来

3. 把原数组的元素复制到新数组中去

4. 新数组最后一个位置设置为待添加的元素（因为新数组的大小是按照原数组大小+1来的）

5. 把Object array引用指向新数组

6. 解锁

普通List的缺陷

常用的List有ArrayList、LinkedList、Vector，其中前两个是线程非安全的，最后一个是线程安全的。我有一种场景，两个线程操作了同一个List，分别对同一个List进行迭代和删除，就如同下面的代码：

public static class T1 extends Thread{    private List<Integer> list;    public T1(List<Integer> list)    {        this.list = list;    }    public void run()    {        for (Integer i : list)        {        System.out.println(i);        }    }}

public static class T2 extends Thread{    private List<Integer> list;    public T2(List<Integer> list)    {        this.list = list;    }    public void run()    {        for (int i = 0; i < list.size(); i++)        {            list.remove(i);        }    }}

首先我在这两个线程中放入ArrayList并启动这两个线程：

public static void main(String[] args){    List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();    for (int i = 0; i < 10000; i++)    {        list.add(i);    }    T1 t1 = new T1(list);    T2 t2 = new T2(list);    t1.start();    t2.start();}

运行结果为：

Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException    at java.util.AbstractList$Itr.checkForComodification(AbstractList.java:372)    at java.util.AbstractList$Itr.next(AbstractList.java:343)    at com.xrq.test60.TestMain$T1.run(TestMain.java:19)

把ArrayList换成LinkedList，main函数的代码就不贴了，运行结果为：

Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException    at java.util.LinkedList$ListItr.checkForComodification(LinkedList.java:761)    at java.util.LinkedList$ListItr.next(LinkedList.java:696)    at com.xrq.test60.TestMain$T1.run(TestMain.java:19)

可能有人觉得，这两个线程都是线程非安全的类，所以不行。其实这个问题和线程安不安全没有关系，换成Vector看一下运行结果：

Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException    at java.util.AbstractList$Itr.checkForComodification(AbstractList.java:372)    at java.util.AbstractList$Itr.next(AbstractList.java:343)    at com.xrq.test60.TestMain$T1.run(TestMain.java:19)

Vector虽然是线程安全的，但是只是一种相对的线程安全而不是绝对的线程安全，它只能够保证增、删、改、查的单个操作一定是原子的，不会被打断，但是如果组合起来用，并不能保证线程安全性。比如就像上面的线程1在遍历一个Vector中的元素、线程2在删除一个Vector中的元素一样，势必产生并发修改异常，也就是fail-fast。

CopyOnWriteArrayList的作用

把上面的代码修改一下，用CopyOnWriteArrayList：

public static void main(String[] args){    List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();    for (int i = 0; i < 10; i++)    {        list.add(i);    }    T1 t1 = new T1(list);    T2 t2 = new T2(list);    t1.start();    t2.start();}

可以运行一下这段代码，是没有任何问题的。

看到我把元素数量改小了一点，因为我们从上面的分析中应该可以看出，CopyOnWriteArrayList的缺点，就是修改代价十分昂贵，每次修改都伴随着一次的数组复制；但同时优点也十分明显，就是在并发下不会产生任何的线程安全问题，也就是绝对的线程安全，这也是为什么我们要使用CopyOnWriteArrayList的原因。

另外，有两点必须讲一下。我认为CopyOnWriteArrayList这个并发组件，其实反映的是两个十分重要的分布式理念：

1. 读写分离

我们读取CopyOnWriteArrayList的时候读取的是CopyOnWriteArrayList中的Object[] array，但是修改的时候，操作的是一个新的Object[] array，读和写操作的不是同一个对象，这就是读写分离。这种技术数据库用的非常多，在高并发下为了缓解数据库的压力，即使做了缓存也要对数据库做读写分离，读的时候使用读库，写的时候使用写库，然后读库、写库之间进行一定的同步，这样就避免同一个库上读、写的IO操作太多

2. 最终一致

对CopyOnWriteArrayList来说，线程1读取集合里面的数据，未必是最新的数据。因为线程2、线程3、线程4四个线程都修改了CopyOnWriteArrayList里面的数据，但是线程1拿到的还是最老的那个Object[] array，新添加进去的数据并没有更新，所以线程1读取的内容未必准确。不过这些数据虽然对于线程1是不一致的，但是对于之后的线程一定是一致的，它们拿到的Object[] array一定是三个线程都操作完毕之后的Object array[]，这就是最终一致。最终一致对于分布式系统也非常重要，它通过容忍一定时间的数据不一致，提升整个分布式系统的可用性与分区容错性。当然，最终一致并不是任何场景都适用的，像火车站售票这种系统用户对于数据的实时性要求非常非常高，就必须做成强一致性的。

最后总结一点，随着CopyOnWriteArrayList中元素的增加，CopyOnWriteArrayList的修改代价将越来越昂贵，因此，CopyOnWriteArrayList适用于读操作远多于修改操作的并发场景中。