CopyOnWrite容器
基本思想
Copy-On-Write，写入时复制，这个技术，准确的说应该是一种思想，在很多系统设计上都会用到，今天我们来谈一谈Java语言中，JDK运用这种写入时复制的思想的数据结构/容器，CopyOnWriteArrayList。
CopyOnWriteArrayList，是一个写入时复制的容器，它是如何工作的呢？简单来说，就是平时查询的时候，都不需要加锁，随便访问，只有在写入/删除的时候，才会从原来的数据复制一个副本出来，然后修改这个副本，最后把原数据替换成当前的副本。修改操作的同时，读操作不会被阻塞，而是继续读取旧的数据。这点要跟读写锁区分一下。
我们来看看CopyOnWriteArrayList的add方法源码
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
- 首先可以看到CopyOnWriteArrayList中用到了ReentrantLock进行加锁，
- 添加元素时，保证同时只有1个线程进行变更，在变更的时候，先拷贝出来一个副本，先操作这个副本，操作完成后，再把现有的数据替换成这个副本。
再来看一下CopyOnWriteArraySet源码
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
if (snapshot != current) {
// Optimize for lost race to another addXXX operation
int common = Math.min(snapshot.length, len);
for (int i = 0; i < common; i++)
if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
return false;
if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
return false;
}
Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
可以看到，同样使用了复制的数据进行数据的添加
优点
对于一些读多写少的数据，这种做法的确很不错，例如配置、黑名单、物流地址等变化非常少的数据，这是一种无锁的实现。可以帮我们实现程序更高的并发。
缺点
这种实现只是保证数据的最终一致性，在添加到拷贝数据而还没进行替换的时候，读到的仍然是旧数据。如果对象比较大，频繁地进行替换会消耗内存，从而引发Java的GC问题，这个时候，我们应该考虑其他的容器，例如ConcurrentHashMap。
Collections.synchronizedList
首先来看下Collections.synchronizedList的源码：
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new SynchronizedList<>(list));
}
这个方法回根据你传入的List是否实现RandomAccess这个接口来返回的SynchronizedRandomAccessList还是SynchronizedList.
再看一下SynchronizedList的源码
static class SynchronizedList<E>
extends SynchronizedCollection<E>
implements List<E> {
private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;
final List<E> list;
SynchronizedList(List<E> list) {
super(list);
this.list = list;
}
SynchronizedList(List<E> list, Object mutex) {
super(list, mutex);
this.list = list;
}
public boolean equals(Object o) {
if (this == o)
return true;
synchronized (mutex) {return list.equals(o);}
}
public int hashCode() {
synchronized (mutex) {return list.hashCode();}
}
public E get(int index) {
synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}
public E set(int index, E element) {
synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
}
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}
public int indexOf(Object o) {
synchronized (mutex) {return list.indexOf(o);}
}
public int lastIndexOf(Object o) {
synchronized (mutex) {return list.lastIndexOf(o);}
}
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
synchronized (mutex) {return list.addAll(index, c);}
}
public ListIterator<E> listIterator() {
return list.listIterator(); // Must be manually synched by user
}
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user
}
public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
synchronized (mutex) {
return new SynchronizedList<>(list.subList(fromIndex, toIndex),
mutex);
}
}
@Override
public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
synchronized (mutex) {list.replaceAll(operator);}
}
@Override
public void sort(Comparator<? super E> c) {
synchronized (mutex) {list.sort(c);}
}
... ...
}
可以看到SynchronizedList类中对add，remove， get等方法都加了synchronized关键字修饰，在保证List相关机制不变的情况下，保证的线程安全
但是可以看到 listIterator（）获取迭代器的相关方法并有使用synchronized关键字，因此在进行迭代遍历的时候，需要加锁
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
list.add("1");
list.add("2");
list.add("3");
synchronized (list) {
Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block
while (i.hasNext()) {
//foo(i.next());
System.out.println(i.next());
}
}
几种同步List实现对比
ArrayList
ArrayList是非线性安全，此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的：在创建迭代器之后，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改，否则在任何时间以任何方式对列表进行修改，迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。即在一方在便利列表，而另一方在修改列表时，会报ConcurrentModificationException错误。而这不是唯一的并发时容易发生的错误，在多线程进行插入操作时，由于没有进行同步操作，容易丢失数据。
因此，在开发过程当中，ArrayList并不适用于多线程的操作。
Vector
从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，采用数组实现。其线程安全的实现方式是对所有操作都加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了，Stackoverflow当中有这样的描述：Why is Java Vector class considered obsolete or deprecated?。
Collections.synchronizedList
Collections.synchronizedList的源码可知，其实现线程安全的方式是建立了list的包装类，代码如下：
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new SynchronizedRandomAccessList<T>(list) :
new SynchronizedList<T>(list));//根据不同的list类型最终实现不同的包装类。
}
其中，SynchronizedList对部分操作加上了synchronized关键字以保证线程安全。部分SynchronizedList的代码如下：
image.png
CopyOnWriteArrayList
从字面可以知道，CopyOnWriteArrayList在线程对其进行些操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段。
CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList对比
CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现，其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下，应该选择不同的多线程安全实现类。
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