Java集合系列20之CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是一种线程安全的ArrayList，顾名思义，它会利用写时拷贝技术，它对共享对象做只读操作的时候，大家都用一个共享对象，如果有可变的操作时，就会复制一份出来，然后在新的拷贝上进行操作。

所以可变操作的开销就会比较大，当然，在执行复制前，需要上独占锁，这样保证在复制的时候，不会出现不一致的情况，在复制完毕后，释放锁。而在做复制的时候，其它线程还是可以在原有的老的对象上进行只读操作，所以不会阻塞读操作。

当复制执行完之后，更改volatile引用，从而其它线程可以看到最新的修改结果。

1、对于CopyOnWriteArrayList需要掌握以下几点

• 创建：CopyOnWriteArrayList()
• 添加元素：即add(E)方法
• 获取单个对象：即get(int)方法
• 删除对象：即remove(E)方法
• 遍历所有对象：即iterator()，在实际中更常用的是增强型的for循环去做遍历

注：CopyOnWriteArrayList是一个线程安全，读操作时无锁的ArrayList。

 

2、创建

public CopyOnWriteArrayList()

使用方法：

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

相关源代码：

    private volatile transient Object[] array;//底层数据结构    /**     * 获取array     */    final Object[] getArray() {        return array;    }    /**     * 设置Object[]     */    final void setArray(Object[] a) {        array = a;    }    /**     * 创建一个CopyOnWriteArrayList     * 注意：创建了一个0个元素的数组     */    public CopyOnWriteArrayList() {        setArray(new Object[0]);    }

注意点：

• 设置一个容量为0的Object[]；ArrayList会创造一个容量为10的Object[]

 

3、添加元素

public boolean add(E e)

使用方法：

list.add("hello");

源代码：

    /**     * 在数组末尾添加元素     * 1）获取锁     * 2）上锁     * 3）获取旧数组及其长度     * 4）创建新数组，容量为旧数组长度+1，将旧数组拷贝到新数组     * 5）将要增加的元素加入到新数组的末尾，设置全局array为新数组     */    public boolean add(E e) {        final ReentrantLock lock = this.lock;//这里为什么不直接用this.lock（即类中已经初始化好的锁）去上锁        lock.lock();//上锁        try {            Object[] elements = getArray();//获取当前的数组            int len = elements.length;//获取当前数组元素            /*             * Arrays.copyOf(elements, len + 1)的大致执行流程：             * 1）创建新数组，容量为len+1，             * 2）将旧数组elements拷贝到新数组，             * 3）返回新数组             */            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);            newElements[len] = e;//新数组的末尾元素设成e            setArray(newElements);//设置全局array为新数组            return true;        } finally {            lock.unlock();//解锁        }    }

注意点：

• Arrays.copyOf(T[] original, int newLength)该方法在ArrayList中讲解过

疑问：

• 在add(E)方法中，为什么要重新定义一个ReentrantLock，而不直接使用那个定义的类变量锁（全局锁）
  • 答：事实上，按照他那样写，即使是在add、remove、set中存在多个引用，最后也是一个实例this.lock，所以不管你在add、remove、set中怎样去从新定义一个ReentrantLock，其实add、remove、set中最后使用的都是同一个锁this.lock，也就是说，同一时刻，add/remove/set只能有一个在运行。这样讲，就是说，下边这段代码完全可以做一个修改。修改前的代码：
    

        public boolean add(E e) {        final ReentrantLock lock = this.lock;//这里为什么不直接用this.lock（即类中已经初始化好的锁）去上锁        lock.lock();//上锁

    修改后的代码：

    

        public boolean add(E e) {        //final ReentrantLock lock = this.lock;//这里为什么不直接用this.lock（即类中已经初始化好的锁）去上锁        this.lock.lock();//上锁

• 根据以上代码可知，每增加一个新元素，都要进行一次数组的复制消耗，那为什么每次不将数组的元素设大（比如说像ArrayList那样，设置为原来的1.5倍+1），这样就会大大减少因为数组元素复制所带来的消耗？

 

4、获取元素

public E get(int index)

使用方法：

list.get(0)

源代码：

    /**     * 根据下标获取元素     * 1）获取数组array     * 2）根据索引获取元素     */    public E get(int index) {        return (E) (getArray()[index]);    }

注意点：

• 获取不需要加锁

疑问：在《分布式Java应用：基础与实践》一书中作者指出：读操作会发生脏读，为什么？

从类属性部分，我们可以看到array数组是volatile修饰的，也就是当你对volatile进行写操作后，会将写过后的array数组强制刷新到主内存，在读操作中，当你读出数组（即getArray()）时，会强制从主内存将array读到工作内存，所以应该不会发生脏读才对呀！！！

 补：volatile的介绍见《附2 volatile》，链接如下：

http://www.cnblogs.com/java-zhao/p/5125698.html

5、删除元素

public boolean remove(Object o)

使用方法：

list.remove("hello")

源代码：

    /**     * 删除list中的第一个o     * 1）获取锁、上锁     * 2）获取旧数组、旧数组的长度len     * 3）如果旧数组长度为0，返回false     * 4）如果旧数组有值，创建新数组，容量为len-1     * 5）从0开始遍历数组中除了最后一个元素的所有元素     * 5.1）将旧数组中将被删除元素之前的元素复制到新数组中，     * 5.2）将旧数组中将被删除元素之后的元素复制到新数组中     * 5.3）将新数组赋给全局array     * 6）如果是旧数组的最后一个元素要被删除，则     * 6.1）将旧数组中将被删除元素之前的元素复制到新数组中     * 6.2）将新数组赋给全局array     */    public boolean remove(Object o) {        final ReentrantLock lock = this.lock;        lock.lock();        try {            Object[] elements = getArray();//获取原数组            int len = elements.length;//获取原数组长度            if (len != 0) {//如果有数据                // Copy while searching for element to remove                // This wins in the normal case of element being present                int newlen = len - 1;//新数组长度为原数组长度-1                Object[] newElements = new Object[newlen];//创建新数组                for (int i = 0; i < newlen; ++i) {//遍历新数组（不包含最后一个元素）                    if (eq(o, elements[i])) {                        // 将旧数组中将被删除元素之后的元素复制到新数组中                        for (int k = i + 1; k < len; ++k)                            newElements[k - 1] = elements[k];                        setArray(newElements);//将新数组赋给全局array                        return true;                    } else                        newElements[i] = elements[i];//将旧数组中将被删除元素之前的元素复制到新数组中                }                if (eq(o, elements[newlen])) {//将要删除的元素时旧数组中的最后一个元素                    setArray(newElements);                    return true;                }            }            return false;        } finally {            lock.unlock();        }    }

判断两个对象是否相等：

    /**     * 判断o1与o2是否相等     */    private static boolean eq(Object o1, Object o2) {        return (o1 == null ? o2 == null : o1.equals(o2));    }

注意点：

• 需要加锁
• ArrayList的remove使用了System.arraycopy（这是一个native方法），而这里没使用，所以理论上这里的remove的性能要比ArrayList的remove要低

 

6、遍历所有元素

iterator()  hasNext()  next()

使用方法：

讲解用的：

 View Code

实际中使用的：

 View Code

源代码：

    public Iterator<E> iterator() {        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);    }

    private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {        private final Object[] snapshot;//数组快照        private int cursor;//可看做数组索引        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {            cursor = initialCursor;            snapshot = elements;//将实际数组赋给数组快照        }                public boolean hasNext() {            return cursor < snapshot.length;//0~snapshot.length-1        }                public E next() {            if (!hasNext())                throw new NoSuchElementException();            return (E) snapshot[cursor++];        }

说明：这一块儿代码非常简单，看看代码注释就好。

注意：

由于遍历的只是全局数组的一个副本，即使全局数组发生了增删改变化，副本也不会变化，所以不会发生并发异常。但是，可能在遍历的过程中读到一些刚刚被删除的对象。

注意点：

 

总结：

• 线程安全，读操作时无锁的ArrayList
• 底层数据结构是一个Object[]，初始容量为0，之后每增加一个元素，容量+1，数组复制一遍
• 增删改上锁、读不上锁
• 遍历过程由于遍历的只是全局数组的一个副本，即使全局数组发生了增删改变化，副本也不会变化，所以不会发生并发异常
• 读多写少且脏数据影响不大的并发情况下，选择CopyOnWriteArrayList

疑问：

• 每增加一个新元素，都要进行一次数组的复制消耗，那为什么每次不将数组的元素设大（比如说像ArrayList那样，设置为原来的1.5倍+1），这样就会大大减少因为数组元素复制所带来的消耗？
• get(int)操作会发生脏读，为什么