写时复制集合 —— CopyOnWriteArrayList

前言

JUC 下面还有一个系列的类，都是 CopyOnWriteXXX ，意思是写时复制，这个究竟是怎么回事？那就以 CopyOnWriteArrayList 为切入点，一起了解写时复制是怎么回事？

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介绍

ArrayList 的一个线程安全的变体，其中所有可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的。

像名字一样，每次进行操作的时候，都会进行一次复制，当然会有很大的性能消耗，但是在某些使用场景下，又会提高性能。具体是怎么操作的，那就一步一步阅读源码，然后再做总结归纳。

基本使用

public class CopyOnWriteArrayListTest {

    public static void main(String[] args) {

        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 添加元素
        list.add("liuzhihang");

        // 移除元素
        list.remove("liuzhihang");

        // 查看元素
        String value0 = list.get(0);

        // 遍历
        Iterator<String> iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            String next = iterator.next();
        }

    }
}

问题疑问

1. 为什么要叫写时复制集合？
2. CopyOnWriteArrayList 实现原理是什么？
3. CopyOnWriteArrayList 和 ArrayList 有什么区别？
4. CopyOnWriteArrayList 复制是怎么进行复制的？

源码分析

基本结构

参数介绍

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;

    /** 数据有变动时使用 */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /** 数组 只能通过 getArray/setArray 访问 */
    private transient volatile Object[] array;

    final Object[] getArray() {
        return array;
    }
    // 将数组指向传入的新数组
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }
}

通过参数可以了解到以下内容：

1. 基于数组实现；
2. 使用了 ReentrantLock 互斥锁。

构造函数

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

在初始化 CopyOnWriteArrayList 时，就是创建了一个 Object 的数组。

add

public boolean add(E e) {
    // 加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 获取当前数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 创建一个新数组，并将原数组数据复制到新数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 添加的新元素到数组尾部
        newElements[len] = e;
        // 将数组指向新数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

add 方法逻辑很简单：

1. 通过加互斥锁（ReentrantLock）从而保证在写的时候只有一个线程可以写。
2. 新增元素时，先使用 Arrays.copyOf(elements, len + 1) 复制出一个长度 +1 的新数组。
3. 添加元素到新数组。
4. 然后再将原数组对象指向新数组。

画图如下：

remove

public E remove(int index) {
    // 加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 原数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 移除的值
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0)
            // 如果移除最后一个元素
            // 直接复制前面的元素即可
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            // 移除中间的元素，进行两次复制
            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();
    }
}

remove 方法相对多了一些判断：

1. 通过加互斥锁（ReentrantLock）从而保证在写的时候只有一个线程可以移除元素。
2. 如果移除的是最后一个元素，则直接复制前面的元素到新数组，并指向新数组即可。
3. 如果移除的是中间的元素，则需要进行两次复制，然后指向新数组。

画图如下：

get

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

get 方法可以看出：

1. 获取元素并没有进行加锁。
2. 从原数组获取的元素。

所以并发情况下，并不能保证很及时的读取的刚插入或者移除的元素。

数组复制

通过阅读 add 和 remove 相关代码，可以看到在数组复制时使用了 Arrays.copyOf 和 System.arraycopy，这相当于一个优化方面吧。

毕竟数组复制总不能把原数组遍历一遍，挨着赋值到新数组里面吧。

那接下来看一下内部是如何实现的：

public class Arrays {
    
    // 其他方法省略 ...
    
    /**
     * original 要复制的数组
     * newLength 新数组的长度
     */
    public static <T> T[] copyOf(T[] original, int newLength) {
        return (T[]) copyOf(original, newLength, original.getClass());
    }

    /**
     * original 要复制的数组
     * newLength 新数组的长度
     */
    public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
        // 创建一个新数组，长度是指定的长度
        @SuppressWarnings("unchecked")
        T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
            ? (T[]) new Object[newLength]
            // 创建具有指定的组件类型和长度的新数组
            : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
        
        // 调用 System.arraycopy 复制数组
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
        return copy;
    }
}

通过阅读 Arrays.copyOf 相关源码，发现其实 Arrays.copyOf 底层也是调用的 System.arraycopy

public final class System {

    // 其他方法省略 ...

    /**
     * src 源数组
     * srcPos 源数组起始位置
     * dest 目标数组
     * destPos 目标数组的起始位置
     * length 要复制的元素数量
     */
    public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                        Object dest, int destPos,
                                        int length);
}

可以看到 System.arraycopy 是一个 native 方法，这个是 JVM 内部实现的，具体可以阅读相关资料。而使用这种方式要比 for 循环和 clone 要高效很多。

总结

Q&A

Q: 为什么要叫写时复制集合？

A: 因为在 add、remove 操作时会复制出来一个新数组。

Q: CopyOnWriteArrayList 实现原理是什么？

A: 在 add、remove 操作时会进行加锁，然后复制出来一个新数组，操作的都是新数组，而此时原数组是可以提供查询的。当操作结束之后，会将对象指针指向新数组。

Q: CopyOnWriteArrayList 和 ArrayList 有什么区别？

A: CopyOnWriteArrayList 在读多写少的场景下可以提高效率，而 ArrayList 只是普通数组集合，并不适用于并发场景，而如果对 ArrayList 加锁，则会影响一部分性能。

同样对 CopyOnWriteArrayList 而言，仅能保证最终一致性。因为刚写入的数据，是写到的复制的数组中，此时并不能立即查询到。如果要保证实时性可以尝试使用 Collections.synchronizedList 或者加锁等方式。

Q: CopyOnWriteArrayList 复制是怎么进行复制的？

A: 内部使用的是本地方法 System.arraycopy 进行数组的复制。

结束语

通过阅读 CopyOnWriteArrayList 源码，了解到写时复制是的原理。同时了解到可以使用 System.arraycopy 的方式提高数组复制的效率。

同样 CopyOnWriteArrayList 适合读多写少的场景，满足最终一致性，但是并不能保证数据修改及时查询到。