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JDK源码分析-CopyOnWriteArrayList

1. 概述

CopyOnWriteArrayList,从名字可以看出它跟 ArrayList 有点关系,可以理解为线程安全的 ArrayList。 它的类签名和继承结构 如下:

public class CopyOnWriteArrayList<E>

implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {}

JDK源码分析-CopyOnWriteArrayList

它主要实现了 List 接口,也是一个集合类,下面分析其代码实现。

2. 代码分析

仍然先从构造器进行分析。

2.1 构造器

// 构造器一:无参构造器

public CopyOnWriteArrayList() {

setArray(new Object[0]);

}


// 构造器二:入参为集合类型

public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {

Object[] elements;

if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)

elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();

else {

elements = c.toArray();

// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)

if (elements.getClass() != Object[].class)

elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);

}

setArray(elements);

}


// 构造器三:入参为数组

public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {

setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));

}

它们都调用了 setArray 方法,如下:

// 存储元素的数组

private transient volatile Object[] array;


final Object[] getArray() {

return array;

}


final void setArray(Object[] a) {

array = a;

}

这个 Object 数组就是 CopyOnWriteArrayList 用于存储数据的,而这几个构造器主要就是对该数组进行初始化。

由于它是一个集合类,主要操作就是增删改查,下面对这些操作进行分析。

2.2 增加

添加单个元素的方法有以下三个:

add(E): 将指定元素添加到 List 末尾。

public boolean add(E e) {

// 获取锁

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

// 获取原数组

Object[] elements = getArray();

int len = elements.length;

// 将原数据复制一个新的数组,容量增加 1

Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

newElements[len] = e; // 将新元素插入新数组的末尾

// 用新的数组替换旧的数组

setArray(newElements);

return true;

} finally {

lock.unlock();

}

}

add(int, E): 将给定元素添加到指定位置。

public void add(int index, E element) {

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

// 获取原数组

Object[] elements = getArray();

int len = elements.length;

if (index > len || index < 0)

throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+

", Size: "+len);

Object[] newElements;

int numMoved = len - index;

// 若将新元素添加到末尾,直接复制一个新的数组(容量增加 1)

if (numMoved == 0)

newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

// 否则,创建一个新的空数组(容量增加 1)

// 然后先把 index 前面的数据复制到新数组,再把 index 后面的数据复制到新数组

else {

newElements = new Object[len + 1];

System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);

System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,

numMoved);

}

// 把新元素添加到新数组的末尾,然后替换原数组

newElements[index] = element;

setArray(newElements);

} finally {

lock.unlock();

}

}

addIfAbsent(E): 当给定元素不存在时才添加。

public boolean addIfAbsent(E e) {

// 获取原数组(当前的快照)

Object[] snapshot = getArray();

// indexOf >= 0 表示该元素已存在,直接返回 false

return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :

addIfAbsent(e, snapshot);

}


private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

// 再次获取原数组

Object[] current = getArray();

int len = current.length;

// 二者不等,表示期间有其它线程进行修改

if (snapshot != current) {

// Optimize for lost race to another addXXX operation

int common = Math.min(snapshot.length, len);

// 判断 e 是否存在于当前数组

for (int i = 0; i < common; i++)

// e 存在于 current,则返回 false(前面已判断 snapshot 中不存在)

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();

}

}

值得注意的是,addIfAbsent 方法执行期间,可能存在其它线程对数组进行修改,因此内部需要判断是否有修改。

这几个方法的共同点:

  1. 都使用互斥锁(ReentrantLock )实现线程安全;

  2. 在新增元素时,并非直接修改原数组,而是复制出来一个新的数组,在新数组上修改,修改之后再覆盖原先的数组(这名字 Copy-On-Write 大概是这么来的吧)。

2.3 删除

remove(E): 删除指定位置的元素。

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;

// 获取该索引处的旧值

E oldValue = get(elements, index);

int numMoved = len - index - 1;

// 删除的是末尾元素

if (numMoved == 0)

// 复制 index 前面的所有元素,并替换原数组

setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));

else {

// 删除的不是末尾元素,新建一个空数组(容量减 1)

Object[] newElements = new Object[len - 1];

System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);

System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,

numMoved);

// 替换旧数组

setArray(newElements);

}

return oldValue;

} finally {

lock.unlock();

}

}

remove(Object): 删除指定的元素。

public boolean remove(Object o) {

// 获取原数组(快照)

Object[] snapshot = getArray();

// 获取给定元素的索引,若小于零表示不存在,返回 false

int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);

return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);

}


private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

// 再次获取原数组(这里的操作逻辑和前面的 addIfAbsent 类似)

Object[] current = getArray();

int len = current.length;

if (snapshot != current) findIndex: {

int prefix = Math.min(index, len);

for (int i = 0; i < prefix; i++) {

if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {

index = i;

break findIndex;

}

}

if (index >= len)

return false;

if (current[index] == o)

break findIndex;

index = indexOf(o, current, index, len);

if (index < 0)

return false;

}

Object[] newElements = new Object[len - 1];

System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);

System.arraycopy(current, index + 1,

newElements, index,

len - index - 1);

setArray(newElements);

return true;

} finally {

lock.unlock();

}

}

这两个方法的共同点:

  1. 使用互斥锁(ReentrantLock )实现线程安全;

  2. 在删除元素时,也不是直接修改原数组,而是复制出来一个新的数组,在新数组上修改,修改之后再覆盖原先的数组(与增加操作类似)。

2.4 修改

set(int, E): 将指定位置的元素设置为给定的元素。

public E set(int index, E element) {

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

// 获取原数组

Object[] elements = getArray();

// 获取该位置的旧值

E oldValue = get(elements, index);

if (oldValue != element) { // 新旧值不同

int len = elements.length;

Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);

newElements[index] = element;

setArray(newElements);

} else { // 新旧值相同

// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics

setArray(elements);

}

return oldValue;

} finally {

lock.unlock();

}

}

该方法与前面的增加删除操作也是类似的。

2.5 读取

get(int): 获取给定位置的元素(不加锁)。

public E get(int index) {

return get(getArray(), index);

}


private E get(Object[] a, int index) {

return (E) a[index];

}

分析到这里,简单总结下增删改查操作:

  1. 增删改操作都使用了互斥锁,读操作不加锁;

  2. 增删改操作都会把当前数组复制一份副本出来,在副本上做修改,然后再覆盖原数组;

  3. 修改过程中仍可以读取,但读取到的可能是旧数组(脏读)。

这是一种读写分离的思想,可以提高并发性能(读多写少的场景下)。

2.6 迭代器

迭代器方法:

public Iterator<E> iterator() {

// 获取当前数组,作为快照传入 COWIterator

return new COWIterator<E>(getArray(), 0);

}

COWIterator 是一个内部嵌套类,主要代码如下:

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {

// 数组的快照

private final Object[] snapshot;

// 对 next 的后续调用将返回的元素的索引

private int cursor;


private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {

cursor = initialCursor;

snapshot = elements;

}

public boolean hasNext() {

return cursor < snapshot.length;

}

public boolean hasPrevious() {

return cursor > 0;

}

public E next() {

if (! hasNext())

throw new NoSuchElementException();

return (E) snapshot[cursor++];

}

public E previous() {

if (! hasPrevious())

throw new NoSuchElementException();

return (E) snapshot[--cursor];

}

public int nextIndex() {

return cursor;

}

public int previousIndex() {

return cursor-1;

}

// 该迭代器不支持修改操作

public void remove() {

throw new UnsupportedOperationException();

}


public void set(E e) {

throw new UnsupportedOperationException();

}


public void add(E e) {

throw new UnsupportedOperationException();

}

}

该迭代器会使用当前数组的一个快照进行迭代,在此期间若有其它线程对集合进行修改,迭代器是读不到的。而且不支持在迭代过程中对数组进行增加、删除、修改操作。

3. 小结

CopyOnWriteArrayList 是一个集合类,它的主要特点如下:

  1. CopyOnWriteArrayList 可以理解为一个线程安全的 ArrayList;

  2. 在"增删改"操作中使用互斥锁保证线程安全,读操作不加锁;

  3. 采用写入时复制(Copy-On-Write)的思想,读写分离,可能造成脏读;

  4. 适用于读多写少的场景。

它也有一个明显的缺点:当集合中数据量较大时,如果做一些修改操作比较耗费内存(内存中会同时存在两份数据)。

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彩蛋:当初注册这个公众号时不知道叫什么名字,刚好当时接触到了这个 CopyOnWrite,于是就想“读书时应该写点东西”,于是就想到了 WriteOnRead,脑回路真是清奇

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原文  http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4NzYyMDE4MQ==&mid=2247484081&idx=1&sn=1dc21d050cf441e389904455860fddf4
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