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【并发编程】CopyOnWriteArrayList 详解与原理

作者：小明Java问道之路
  • 2023-12-30
    黑龙江

  • 本文字数：2579 字

    阅读完需：约 8 分钟

📫作者简介：小明 Java 问道之路，2022 年度博客之星全国 TOP3，专注于后端、中间件、计算机底层、架构设计演进与稳定性建设优化，文章内容兼具广度、深度、大厂技术方案，对待技术喜欢推理加验证，就职于知名金融公司后端高级工程师。

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本文导读

本文讲解什么是 CopyOnWriteArrayList 以及他的特点、适用场景、缺点，CopyOnWriteArrayList 的数据结构、add()、get() 方法、remove()方法的实现原理。

一、什么是 CopyOnWriteArrayList

Java 并发包（JDK1.5）里提供了使用 CopyOnWrite 机制实现的并发容器 CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet，其底层是利用 CopyOnWrite 实现的。

1、什么是 CopyOnWrite

CopyOnWriteArrayList 利用了“不变性”原理，因为容器每次修改都是创建新副本，所以对于旧容器是不可变的，也是线程安全的，无需进一步的同步操作。

可以对 CopyOnWrite 容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素，也不会有修改。CopyOnWriteArrayList 的所有修改操作（add，set 等）都是通过创建底层数组的新副本来实现的，所以 CopyOnWrite 容器也是一种读写分离的思想体现，读和写使用不同的容器。

2、迭代允许修改集合

CopyOnWriteArrayList 的迭代器在迭代的时候，如果数组内容被修改了，CopyOnWriteArrayList 不会报 ConcurrentModificationException 的异常，因为迭代器使用的依然是旧数组，只不过迭代的内容可能已经过时了。

3、CopyOnWriteArrayList 适用场景

读操作尽可能的快，而写即使慢一些也没关系（系统级别的信息，只需要加载或者修改很少的次数，但是会被系统内所有模块频繁的访问），读多写少（黑名单，不需要实时更新）。

4、CopyOnWriteArrayList 缺点

内存占用问题：CopyOnWrite 的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，这一点会占用额外的内存空间。

复制的开销很大：复制过程不仅会占用双倍内存，还需要消耗 CPU 等资源，会降低整体性能。

数据一致性问题： CopyOnWrite 容器的修改是先修改副本，所以这次修改对于其他线程来说，并不是实时能看到的，只有在修改完之后才能体现出来。如果写入的的数据马上能被其他线程看到，CopyOnWrite 容器是不适用的。

二、CopyOnWriteArrayList 实现原理

1、CopyOnWriteArrayList 数据结构

ReentrantLock 锁用来保证修改操作的线程安全，array 的 Object[] 数组是被 volatile 修饰的，可以保证数组的可见性，存储元素的数组。


public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {	// 可重入锁对象（全局锁）	final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 	// CopyOnWriteArrayList底层由数组实现，volatile修饰，保证数组的可见性	private transient volatile Object[] array; 	// 得到数组	final Object[] getArray() {	    return array;	} 	// 设置数组	final void setArray(Object[] a) {	    array = a;	} 	// 初始化CopyOnWriteArrayList相当于初始化数组	public CopyOnWriteArrayList() {	    setArray(new Object[0]);	}}
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2、add() 方法

add 方法利用 ReentrantLock 的 lock 方法进行加锁，获取锁之后，得到原数组的长度和元素，也就是利用 getArray 方法得到 elements 并且保存 length。（在添加的时候首先上锁，并复制一个新数组）

之后利用 Arrays.copyOf 方法复制出一个新的数组，得到一个和原数组内容相同的新数组，并且把新元素添加到新数组中。增加操作在新数组上完成）

完成添加动作后，需要转换引用所指向的对象，利用 setArray(newElements) 操作就可以把 volatile Object[] array 的指向替换成新数组，最后在 finally 中把锁解除。（将 array 指向到新数组，最后解锁）

CopyOnWrite 的思想：写操作是在原来容器的拷贝上进行的，并且在读数据的时候不会锁住 list。而且可以看到，如果对容器拷贝操作的过程中有新的读线程进来，那么读到的还是旧的数据，因为在那个时候对象的引用还没有被更改。


public boolean add(E e) {    // 加锁    final ReentrantLock lock = this.lock;    lock.lock();    try {        // 得到原数组的长度和元素        Object[] elements = getArray();        int len = elements.length;         // 复制出一个新数组        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);         // 添加时，将新元素添加到新数组中        newElements[len] = e;         // 将volatile Object[] array 的指向替换成新数组        setArray(newElements);        return true;    } finally {        lock.unlock();    }}
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3、get() 方法

get 相关的操作没有加锁，保证了读取操作的高速


public E get(int index) {    return get(getArray(), index);}private E get(Object[] a, int index) {    return (E) a[index];
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4、remove() 方法


/** * 删除此列表中指定位置的元素，会将后续元素向左移动 */public E remove(int index) {	final ReentrantLock lock = this.lock;	lock.lock();	try {		// 获取原数组		Object[] elements = getArray();		int len = elements.length;		// 获取index下标的元素		E oldValue = get(elements, index);		// 计算需要移动的数量		int numMoved = len - index - 1;				if (numMoved == 0)			// 删除的是末尾，将原数组减1			setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));		else {			// 开辟新数组			Object[] newElements = new Object[len - 1];			// 复制前面			System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);			// 复制后面			System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved);			// 修改原数组			setArray(newElements);		}		return oldValue;	} finally {		lock.unlock();	}}
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总结

本文讲解什么是 CopyOnWriteArrayList 以及他的特点、适用场景、缺点，CopyOnWriteArrayList 的数据结构、add()、get() 方法、remove()方法的实现原理。

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InfoQ签约作者/技术专家/博客专家 2020-03-20 加入

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