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社区首页 >专栏 >Java - Java集合中的安全失败Fail Safe机制 (CopyOnWriteArrayList)

Java - Java集合中的安全失败Fail Safe机制 (CopyOnWriteArrayList)

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小小工匠
发布2021-11-03 15:11:27
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发布2021-11-03 15:11:27
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Pre

Java - Java集合中的快速失败Fail Fast 机制

概述

ArrayList使用fail-fast机制自然是因为它增强了数据的安全性。

但在某些场景,我们可能想避免fail-fast机制抛出的异常,这时我们就要将ArrayList替换为使用fail-safe机制的CopyOnWriteArrayList.

采用安全失败机制的集合容器,在 Iterator 的实现上没有设计抛出 ConcurrentModificationException 的代码段,从而避免了fail-fast。


fail-safe的容器—CopyOnWriteArrayList

写时复制: 当我们往一个容器添加元素的时候,先将当前容器复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。

好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。


add

代码语言:javascript
复制
public boolean add(E e) {
    // 可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 元素数组
        Object[] elements = getArray();
        // 数组长度
        int len = elements.length;
        // 复制数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 存放元素e
        newElements[len] = e;
        // 设置数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

此函数用于将指定元素添加到此列表的尾部,处理流程如下

  • 获取锁(保证多线程的安全访问),获取当前的Object数组,获取Object数组的长度为length,进入步骤②。
  • 根据Object数组复制一个长度为length+1的Object数组为newElements(此时,newElements[length]为null),进入下一步骤。
  • 将下标为length的数组元素newElements[length]设置为元素e,再设置当前Object[]为newElements,释放锁,返回。这样就完成了元素的添加。

remove函数

代码语言:javascript
复制
public E remove(int index) {
    // 可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取数组
        Object[] elements = getArray();
        // 数组长度
        int len = elements.length;
        // 获取旧值
        E oldValue = get(elements, index);
        // 需要移动的元素个数
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0) // 移动个数为0
            // 复制后设置数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else { // 移动个数不为0
            // 新生数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            // 复制index索引之前的元素
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            // 复制index索引之后的元素
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                numMoved);
            // 设置索引
            setArray(newElements);
        }
        // 返回旧值
        return oldValue;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}
  • ①获取锁,获取数组elements,数组长度为length,获取索引的值elements[index],计算需要移动的元素个数(length - index - 1),若个数为0,则表示移除的是数组的最后一个元素,复制elements数组,复制长度为length-1,然后设置数组,进入步骤③;否则,进入步骤②
  • ② 先复制index索引前的元素,再复制index索引后的元素,然后设置数组。
  • ③ 释放锁,返回旧值

例子

代码语言:javascript
复制
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

class PutThread extends Thread {
    private CopyOnWriteArrayList<Integer> cowal;

    public PutThread(CopyOnWriteArrayList<Integer> cowal) {
        this.cowal = cowal;
    }

    public void run() {
        try {
            for (int i = 100; i < 110; i++) {
                cowal.add(i);
                Thread.sleep(50);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class CopyOnWriteArrayListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> cowal = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            cowal.add(i);
        }
        PutThread p1 = new PutThread(cowal);
        p1.start();
        Iterator<Integer> iterator = cowal.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next() + " ");
        }
        System.out.println();
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        iterator = cowal.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next() + " ");
        }
    }
}

有一个PutThread线程会每隔50ms就向CopyOnWriteArrayList中添加一个元素,并且两次使用了迭代器,迭代器输出的内容都是生成迭代器时,CopyOnWriteArrayList的Object数组的快照的内容,在迭代的过程中,往CopyOnWriteArrayList中添加元素也不会抛出异常。

代码语言:javascript
复制
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 101 102 103 

缺陷

  1. 由于写操作的时候,需要拷贝数组,会消耗内存,如果原数组的内容比较多的情况下,可能导致young gc或者full gc
  2. 不能用于实时读的场景,像拷贝数组、新增元素都需要时间,所以调用一个set操作后,读取到数据可能还是旧的,虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性,但是还是没法满足实时性要求;

使用场景

合适读多写少的场景,不过这类慎用

谁也没法保证CopyOnWriteArrayList 到底要放置多少数据,万一数据稍微有点多,每次add/set都要重新复制数组,这个代价实在太高 ,容易引起故障

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原始发表:2021-11-01 ,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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