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JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList

列表容器常见的有 ArrayListLinkedList,然而两者都是非线程安全的,若应用场景对线程安全有需求,则可以使用CopyOnWriteArrayList来代替传统的Vector

I. 存储结构

先看下类中定义的成员变量, 一个数组和一个锁

/** The lock protecting all mutators */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;

array: 保存了列表中的数据

lock: 修改时加锁,用于保证线程安全

底层数据结构依然是数组,相交于ArrayList而言,少了一个表示数组长度的size变量,获取列表长度是通过下面的方法

public int size() {
    return getArray().length;
}

final Object[] getArray() {
    return array;
}

留一个问题:

为什么获取链表的长度个ArrayList的使用姿势不同,这样做有什么好处

II. 读取,删除,添加实现逻辑

1. 读取数据

读数据,带两个疑问进行看源码

  • 读取是否加锁
  • 若加锁性能如何保证;若不加锁线程安全如何保证

先看实现源码

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

/**
 * {@inheritDoc}
 *
 * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
 */
public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

结果比较清晰

  • 读数据不加锁
  • 线程安全保障先给个简单的说明,后面内容详细补充
    • 数组定义为volatile,确保最新改动对多线程可见
    • private transient volatile Object[] array;

2. 删除元素

直接在源码中加上一些注释

public E remove(int index) {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  // 加锁,保证同一时刻只能有一个线程对链表进行写操作
  lock.lock();
  try {
      Object[] elements = getArray();
      int len = elements.length;
      E oldValue = get(elements, index);
      int numMoved = len - index - 1;
      if (numMoved == 0) { // 删除最后一个元素时
          //直接进行数组拷贝,然后将tables数组引用指向拷贝后的数组
          setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
      } else {
          // 创建一个新的数组,将旧数组内容拷贝到新数组中
          // 然后将tables数组引用指向新的数组
          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();
  }
}

从删除的实现,可确定以下几点:

  • 修改加锁,确保同一时刻只有一个线程对数组进行修改
  • 修改并不是在原数组上进行的,而是创建一个新的数组,在新的数组上进行操作操作,然后将tables引用指向新的数组
  • 修改必然会涉及到数组内容的拷贝

3. 新增元素

ArrayList新增元素时,可能导致数组扩容;CopyOnWriteArrayList在列表的修改时,采用数组拷贝,在新的数组上进行操作,从这点出发,应该不存在扩容的问题,因为每次修改都会导致数组的重新拷贝

从代码出发,验证上面的观点

public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 新增,先加锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (index > len || index < 0) {
            // 数组越界判断
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        }
        Object[] newElements;
        int numMoved = len - index;
        // 将原数组拷贝到新的数组中
        if (numMoved == 0) { // 添加在最后一个
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        } else { // 添加到中间,需要两次拷贝
            newElements = new Object[len + 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        }
        
        // 直接将数据添加到新的数组
        newElements[index] = element;
        // 将tables引用指向新的数组
        setArray(newElements);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

从实现得出以下几个结论

  • CopyOnWriteArrayList没有数组扩容一说,因为每次修改都会创建一个新的数组
  • 修改加锁,确保只有一个线程对列表进行修改

新增元素示意图

III. 线程安全测试

在List的遍历过程中,新增,删除or修改其中元素值时,会出现什么问题?

先写个测试demo

public class CopyOnWriteTest {
    List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(
            new String[]{
                    "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9"
            }
    );

    private void modify() {
        new Thread(() -> {
            list.add(8, "a8");
            list.remove(9);
            list.set(6, "6666");
            System.out.println("----修改完成----");
        }).start();
    }

    @Test
    public void testModify() throws InterruptedException {
        Iterator<String> iterable = list.iterator();
        int i = 0;
        while (iterable.hasNext()) {
            if (i++ == 1) {
                modify();
            } else if (i == 4) {
                Thread.sleep(1000);
            }
            System.out.println("index: " + i + " value: " + iterable.next());
        }
        
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(list);
    }
}

输出结果

index: 1 value: 1
index: 2 value: 2
index: 3 value: 3
----修改完成----
index: 4 value: 4
index: 5 value: 5
index: 6 value: 6
index: 7 value: 7
index: 8 value: 8
index: 9 value: 9
[1, 2, 3, 4, 5, 6, 6666, 8, a8]

发现在迭代的过程中,对列表进行修改,是不会影响迭代过程的,遍历的依然是原来的数组;(顺带说一句,如果换成ArrayList会抛并发修改的异常)

探究下原理,主要是因为 CopyOnWriteArrayList的迭代器的实现方式

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    /** Snapshot of the array */
    private final Object[] snapshot;
    /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
    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;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        if (! hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[cursor++];
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E previous() {
        if (! hasPrevious())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[--cursor];
    }

    public int nextIndex() {
        return cursor;
    }

    public int previousIndex() {
        return cursor-1;
    }

    /**
     * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
     * @throws UnsupportedOperationException always; {@code remove}
     *         is not supported by this iterator.
     */
    public void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
     * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
     * @throws UnsupportedOperationException always; {@code set}
     *         is not supported by this iterator.
     */
    public void set(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
     * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
     * @throws UnsupportedOperationException always; {@code add}
     *         is not supported by this iterator.
     */
    public void add(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

从源码分析可得知

  1. 构造方法,确保迭代器持有一份对数组的引用,后续的迭代是针对这个数组进行的;若在迭代过程中,列表发生修改,使得List的数组引用指向新的数组,也不会改变迭代器中对原数组的引用,所以依然遍历的是旧数组
  2. 因为上面的原则,迭代过程中,不允许对数组进行修改

IV. 对比&小结

List容器中,VectorCopyOnWriteArrayList都是线程安全的,下面则主要对比下两者的实现逻辑

1. Vector

  • 所有接口都加锁
  • 多线程访问时,导致锁的竞争,导致效率低下

2. CopyOnWriteArrayList

  1. 底层结构:数组
  2. 读取接口,无锁
  3. 修改列表,加锁,确保始终只有一个线程在修改列表内容
  4. 修改方式:
    • 将原数组内容拷贝到新的数组,直接修改新数组
    • 然后将新数组赋值给列表的数组引用(array)
  5. 每次修改都会先上锁,然后进行数组拷贝,所以性能较 ArrayList低;读取无锁,所以读的性能比Vector高(没有竞争)
  6. 遍历时,是对列表中当前所指向的数组进行遍历,遍历过程中对数组的修改,不会影响遍历的内容
  7. 默认初始容量为0

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