Java技术——CopyOnWriteArrayList源码解析

0. 前言  

CopyOnWriteArrayList是一个线程安全，读操作时无锁，但是写操作有锁的ArrayList。是读写分离思想的体现。

实现原理是当某个线程要修改List中的元素时，会把列表中的元素Copy一份，然后在新数组中对元素进行修改，最后把新元素赋值给原来的List的。这样就可以实现读操作不需要加锁。

JDK1.5开始Java并发包提供了CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。这种机制的核心就是使读写分离，使并发场景下以读为主的操作性能更高，但显然占用的空间翻了一倍，是一种空间换时间的策略。

 

1.  CopyOnWriteArrayList源码

1.1  CopyOnWriteArrayList初始化

从下面源码中可以看出CopyOnWriteArrayList会创建一个元素数为0的数组，而ArrayList中则是默认为10。

底层数据结构array对象数组很明显被volatile关键字修饰，保证内存可见性。

//创建方法List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();//相关源码//底层数据结构private volatile transient Object[] array; final Object[] getArray() {    return array;}final void setArray(Object[] a) {    array = a;}//创建了一个个数为0的数组public CopyOnWriteArrayList() {    setArray(new Object[0]);}

1.2  CopyOnWriteArrayList的add操作

public boolean add(E e) {     finalReentrantLock lock = this.lock;     lock.lock();//上锁     try {         Object[]elements = getArray();//获取当前的数组         intlen = elements.length;         Object[]newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);         newElements[len]= e;//将新元素置于新数组的末尾         setArray(newElements);//将newElements设置为全局array         returntrue;        }finally {           lock.unlock();//解锁        }}

根据以上代码可知，CopyOnWriteArrayList每增加一个新元素，都要进行一次数组的复制消耗，所以是一种空间换时间的策略，而且add操作进行了加锁（否则多线程下写操作会出错），并且是对新的数组进行修改，remove操作也一样。所以在多线程操作时不会出现java.util.ConcurrentModificationException错误。

1.3  CopyOnWriteArrayList的get操作

public E get(int index) {    return(E) (getArray()[index]);}

从源码可以看出，CopyOnWriteArrayList的读操作没有上锁。因为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，从而在读操作getArray()时会强制从主内存将array读出来。

 

1.4  CopyOnWriteArrayList的remove操作

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) {               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                    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();        }}

大致流程是上锁后，新建一个比原数组长度-1的新数组，遍历旧数组把除了要删除元素的其他所有元素赋值到新数组中。最后将这个新数组设置给原来的array。这里有个小的点，ArrayList的remove使用了System.arraycopy，而这里却没有使用这个方法，所以理论上这里的remove的性能要比ArrayList低。

2  CopyOnWriteArrayList和ArrayList的区别

（1）CopyOnWriteArrayList线程安全，写有锁读无锁，适合多线程中读操作较多的场景。而ArrayList不是线程安全，不能应用在多线程场景中。

（2）CopyOnWriteArrayList底层数据结构是一个Object[]，初始容量为0，每增加一个元素容量加1，而ArrayList的初始容量为10，扩容机制为1.5倍加1。