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Java并发集合_CopyOnWriteArrayList原理分

Java并发集合_CopyOnWriteArrayList原理分

作者: wo883721 | 来源:发表于2018-04-02 08:15 被阅读53次

    Java 集合框架中,我们介绍了List集合中最常用的子类ArrayList和LinkedList,但是它们都不保证多线程安全。如果多个线程同时读取和修改数据,就会产生冲突。

    要实现多线程安全,可以使用同步集合Vector以及使用Collections类中synchronizedXXX系列方法。它们都是使用synchronized同步锁,保证同一时间只有一个线程能读取或修改集合。

    其实还有一种更加高效的方法,CopyOnWrite(只有在修改时才复制)

    一. CopyOnWrite方式

    它的核心思想就是当我们对集合进行读取时,不做任何锁的控制,可以多线程并发读取,但是我们任何对集合进行修改的操作,都要加锁控制,保证同一时间只有一个线程,进行下面三个操作:(注意这里说的)

    1. 先用老集合copy出一份新集合.
    2. 然后在新集合上做修改.
    3. 最后用新集合直接替换老集合.
      注意这里说的集合,就是集合中的数组array对象。

    因为我们是在新集合中进行修改,所以不会影响正在读取数据的老集合,然后将新集合替换老集合,就能读取到最新修改的数据。

    所以这里也就暴露了CopyOnWrite这种方式的缺点,就是我们修改了集合数据,可能不会立即读取到这个新数据,得到的还是老数据。
    例如我们一个线程调用了set(int index, E element)替换了集合index位置的数据,然后另一个线程调用get(index),可能得不到那个线程对集合的修改。

    二. CopyOnWriteArrayList集合

    CopyOnWriteArrayList集合是一种CopyOnWrite的一种实现,根据CopyOnWrite方式介绍。所以我们知道CopyOnWriteArrayList集合中所有读取的方法都是不加锁的,而修改的方法是加锁的。

    2.1 重要属性

        /** 通过ReentrantLock来实现独占锁的 */
        final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        /** 用来储存集合中数据,使用volatile关键字修饰,保证可见性和有序性 */
        private transient volatile Object[] array;
    

    CopyOnWriteArrayList集合是使用lock来进行加锁操作的。

    2.2 读取方法

         // 不需要加同步锁
        public int size() {
            return getArray().length;
        }
        // 不需要加同步锁
        @SuppressWarnings("unchecked")
        private E get(Object[] a, int index) {
            return (E) a[index];
        }
    
    
        // 不需要加同步锁
        public E get(int index) {
            return get(getArray(), index);
        }
    

    这里选取了几个读取的方法,它们都不没有加同步锁。所以正在修改或者等待修改的东西,是读取不到的,以此会有延时性。

    2.3 修改方法

    当进行修改集合的时候,我们要保证三个操作是多线程同步的,即使用老数组创建新数组,修改新数组,将新数组替换老数组。这个三个操作必须同一时间只有一个线程操作。

    不然就会出现这样一种情况:

    1. 多个线程一起调用getArray方法,得到老数组array。
    2. 然后其中一个线程操作完成之后,首先调用setArray方法,修改了共享变量array,
    3. 之后又用另一个线程操作完成调用setArray方法,修改了共享变量array,
    4. 这个时候你就会发现,另一个线程对集合的修改不是在前一个修改之上的,它会把上个线程的修改覆盖,产生多线程冲突。
         public E set(int index, E element) {
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            // 使用lock锁,保证修改共享变量array的线程安全。
            lock.lock();
            try {
                // 获取老数组elements
                Object[] elements = getArray();
                // 得到原来的值
                E oldValue = get(elements, index);
    
                // 有改变才修改
                if (oldValue != element) {
                    int len = elements.length;
                    // 用老的数组创建一个新数组
                    Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
                    // 更新index位置的值
                    newElements[index] = element;
                    // 设置新数组
                    setArray(newElements);
                } else {
                    // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
                    // 这个并不是无用语句,确保volatile变量的重新写入
                    setArray(elements);
                }
                return oldValue;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    

    选取了set方法,我们发现它的步骤的确与我们介绍的一模一样。

    总结

    CopyOnWriteArrayList集合可以解决多线程操作集合的并发问题,而且它的读取操作非常快,而修改操作将对较慢,因为使用的lock锁,同一时间只有一个线程,能够进行修改操作,其他线程必须等待。
    它唯一的缺点就是,一个线程对CopyOnWriteArrayList集合进行修改,另一线程并不能立即读取到。当然对同一线程来说,就没有这个问题的。

    另外还有一个CopyOnWriteArraySet集合,它的内部就是使用CopyOnWriteArrayList集合实现的,所以就不用详细讲解了。

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