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Java JUC CopyOnWriteArrayList 解析

神秘杰克
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CopyOnWriteArrayList 原理解析

介绍

在 Java 并发包中的并发 List 只有 CopyOnWriteArrayList,CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的 ArrayList,对其进行的修改操作都是在底层的一个复制的数组(快照)上进行的,也就是使用了写时复制策略。

类图

在 CopyOnWriteArrayList 的类图中,每个 CopyOnWriteArrayList 对象里面有一个 array 数组用来存放具体的元素ReentrantLock独占锁来保证同时只有一个线程对 array 进行修改。

如果让我们自己做一个写时复制的线程安全的 list 我们会怎么做,有哪些点需要考虑?

  • 何时初始化 list,初始化的 list 元素个数为多少,list 是有限大小吗?
  • 如何保证线程安全,比如多个线程进行读写时如何保证是线程安全的?
  • 如何保证使用迭代器遍历 list 时的数据一致性?

下面我们看一下 CopyOnWriteArrayList 是如何实现的。

主要方法解析

初始化

在无参构造函数中,默认创建大小为 0 的 Object 数组作为初始值。

public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
}

有参构造函数:

//传入的toCopyIn的副本
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}
//入参为集合,复制到list中
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);
}

添加元素

CopyOnWriteArrayList 中用来添加元素的函数有:

  • add(E e)
  • add(int index,E e)
  • addIfAbsent(E e)
  • addAllAbsent(Collection<? extents E> c)等

这些函数原理类似,我们以 add(E e)为例来解析。

public boolean add(E e) {
        // 获取独占锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // 获取array
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            //复制array到新数组并且添加新元素到新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            // 使用新数组替换旧的数组
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            //释放独占锁
            lock.unlock();
        }
}

在上述代码中,首先会获取独占锁,如果有多个线程同时调用 add 方法则只有一个线程能获取到该锁,其它线程会被阻塞直到锁被释放。

之后使用新数组替换原数组,并释放锁,需要注意的就是在添加元素时,首先复制了一个快照,然后在快照上进行添加,而不是直接在原来数组上进行

获取指定位置元素

使用 get(int index)方法获取下标为 index 的元素,如果元素不存在则抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。

public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
}
final Object[] getArray() {
    return array;
}
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

上述代码中,当某个线程调用 get 方法获取指定位置元素时,首先获取 array 数组,然后通过下标获取指定位置元素,这是两步操作,但是在整个过程中没有进行加锁同步

假设 array 里面有元素 1,2,3。

array内容

由于第一步获取 array 和第二步根据下标访问指定位置元素没有枷锁,这就可能导致线程 x 在执行第一步后第二步前,另外一个线程 y 进行了 remove 操作,假设删除1,remove 操作首先会获取独占锁,进行写时复制,也就是复制一份当前 array 数组然后在复制后的数组里删除线程 x 通过 get 方法访问的元素1,之后让 array 指向新的数组。

而这时候 array 之前指向的数组的引用计数为 1 而不是 0,因为线程 x 还在使用它,这时线程 x 开始执行第二步,操作的数组是线程 y 删除元素之前的数组。

弱一致性

总结:虽然线程 y 已经删除了 index 处的元素,但是线程 x 的第二步还是会返回 index 处的元素,这其实就是写时复制策略产生的弱一致性问题

修改指定元素

使用 set(int index,E element)修改 list 中指定元素的值,如果指定元素的元素不存在则抛出 IndexOutOfBoundsException 异常。

public E set(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        E oldValue = get(elements, index);

        if (oldValue != element) {
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
            newElements[index] = element;
            setArray(newElements);
        } else {
            // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
            setArray(elements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

该方法也是先获取独占锁,随后获取当前数组,并调用 get 方法后去指定位置元素,如果指定位置元素不等于新值则创建新数组并复制元素到新的数组中。

如果指定位置元素和新值一样,则为了保证 volatile 语义,还是需要重新设置 array,虽然 array 内容并没有变化。

该目的就是刷新一下缓存,通知其他线程,也就是所谓的操作结果可见。

删除元素

删除 list 中指定元素,可以使用如下方法。

  • E remove(int index)
  • boolean remove(Object o)
  • Boolean remove(Object o,Object[] snapshot,int index)等

原理大致类似,这里讲解 remove(int index)方法。

public E remove(int index) {
        //获取独占锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(elements, index);
            int numMoved = len - index - 1;
            //如果要删除的是最后一个元素
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                //分两次复制删除后剩余的元素到新数组
                Object[] newElements = new Object[len - 1];
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,numMoved);
                setArray(newElements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
}

首先获取独占锁以保证删除数据期间其他线程不能对 array 进行修改,然后获取数组中要被删除的元素,并把剩余的元素复制到新数组,之后使用新数组替换原来的数组,最后在返回前释放锁。

迭代器

下面来看 CopyOnWriteArrayList 中迭代器的弱一致性是怎么回事,所谓弱一致性是指返回迭代器后,其他线程对 list 的增删改对迭代器是不可见的,下面看看这是如何做到的。

public Iterator<E> iterator() {
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    //array的快照
    private final Object[] snapshot;
    //数组下标
    private int cursor;

    private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
        cursor = initialCursor;
        snapshot = elements;
    }

    //是否遍历结束
    public boolean hasNext() {
        return cursor < snapshot.length;
    }

    //获取元素
    public E next() {
        if (! hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[cursor++];
    }

}

当调用 iterator 方法获取迭代器时实际上会返回一个COWIterator对象,COWIterator 对象的 snapshot 变量保存了当前 list 的内容,cursor 是遍历 list 时数据的下标。

为什么说 snapshot 是 list 的快照呢?明明是指针传递的引用,而不是副本。

如果在该线程使用返回的迭代器遍历元素的过程中,其他线程没有对 list 进行增删改,那么 snapshot 本身就是 list 的 array,因为它们是引用关系。

但是如果在遍历期间其他线程对该 list 进行了增删改,那么 snapshot 就是快照了,因为增删改后 list 里面的数组被新数组替换了,这时候老数组被snapshot引用。这也说明获取迭代器后,使用该迭代器元素时,其他线程对该 list 进行的增删改不可见,因为它们操作的是两个不同的数组,这就是弱一致性

总结

CopyOnWriteArrayList 使用写时复制的策略来保证 list 的一致性,而获取修改写入三步操作并不是原子性的,所以在增删改的过程中都使用了独占锁,来保证在某个时间只有一个线程能对 list 数组进行修改。

另外 CopyOnWriteArrayList 提供了弱一致性的迭代器,从而保证在获取迭代器后,其他线程对 list 的修改是不可见的,迭代器遍历的数组是一个快照。

CopyOnWrite 并发容器用于读多写少的并发场景,缺点:内存占用问题数据一致性问题(只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性)。

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