深入理解Java中的线程安全List：CopyOnWriteArrayList原理和应用

公众号:码到三十五

修改于 2024-03-21 08:15:11

1.6K0

修改于 2024-03-21 08:15:11

文章被收录于专栏：JAVA核心

1️⃣ 什么是CopyOnWrite（写时复制）

CopyOnWrite，也被称为写时复制（Copy-On-Write，简称COW），是程序设计领域中的一种优化策略。这种策略的核心思想是，当多个调用者（或线程）同时访问同一份资源时，他们会共同获取一个指向该资源的指针。只要没有调用者尝试修改这份资源，所有的调用者都可以继续访问同一个资源。但是，一旦有调用者尝试修改资源，系统就会复制一份该资源的副本给这个调用者，而其他调用者所见到的仍然是原来的资源。这个过程对其他的调用者都是透明的，他们并不知道资源已经被复制。

在Java中，CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet就是使用了这种策略的两个类。这两个类都位于java.util.concurrent包下，是线程安全的集合类。当需要修改集合中的元素时，它们不会直接在原集合上进行修改，而是复制一份新的集合，然后在新的集合上进行修改。修改完成后，再将指向原集合的引用指向新的集合。这种设计使得读操作可以在不加锁的情况下进行，从而提高了并发性能。

总的来说，CopyOnWrite是一种适用于读多写少场景的优化策略，它通过复制数据的方式实现了读写分离，提高了并发性能。但是，它也存在一些潜在的性能问题，如内存占用增加、写操作性能下降以及频繁的垃圾回收。因此，在使用时需要根据具体场景进行权衡和选择。

2️⃣什么是CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是Java并发包java.util.concurrent中的一个类，它实现了List接口。如其名所示，

CopyOnWriteArrayList是Java中的一个类，位于java.util.concurrent包下。它是ArrayList的一个线程安全的变体，其中所有可变操作（如add和set等）都是通过创建底层数组的新副本来实现的，因此被称为“写时复制”的列表。

由于CopyOnWriteArrayList在遍历时不会对列表进行任何修改，因此它绝对不会抛出ConcurrentModificationException的异常。它在修改操作（如add、set等）时，会复制一份底层数组，然后在新的数组上进行修改，修改完成后再将指向底层数组的引用切换到新的数组。这种设计使得读操作可以在不加锁的情况下进行，从而提高了并发性能，这个特性使得它在多线程环境下进行遍历操作时更为安全。

然而，CopyOnWriteArrayList并没有“扩容”的概念。每次写操作（如add或remove）都需要复制一个全新的数组，这在写操作较为频繁时可能会导致性能问题，因为复制整个数组的操作是相当耗时的。因此，在使用CopyOnWriteArrayList时，需要特别注意其适用场景，一般来说，它更适合于读多写少的场景。

3️⃣CopyOnWriteArrayList的工作原理

CopyOnWriteArrayList是ArrayList的一个线程安全的变体。读操作可以在不加锁的情况下进行，从而提高了并发性能。

具体来说，CopyOnWriteArrayList内部有一个可重入锁（ReentrantLock）来保证线程安全，但这个锁只在写操作时才会被使用。当进行修改操作时，线程会先获取锁，然后复制底层数组，并在新数组上执行修改。修改完成后，通过volatile关键字修饰的引用来确保新的数组对所有线程可见。由于读操作不需要获取锁，因此多个线程可以同时进行读操作，而不会相互干扰。

3.1 读写分离的设计模式的几个优点

读操作性能很高

由于读操作不需要获取锁，因此多个线程可以同时进行读操作，而不会相互干扰。这使得在高并发场景下，CopyOnWriteArrayList的读操作性能非常出色。

数据一致性

由于写操作是通过复制底层数组并在新数组上执行修改来实现的，因此不会出现多个线程同时修改同一个元素的情况。这保证了数据的一致性。

适用于读多写少的场景

由于写操作需要复制整个底层数组，因此在写操作较为频繁的场景下，CopyOnWriteArrayList的性能可能会受到较大影响。但在读多写少的场景下，它可以充分发挥其优势。

3.2 存在的性能问题

内存占用

每次写操作都需要复制整个底层数组，这会导致内存占用增加。特别是在列表较大时，这种内存开销可能会变得非常显著。

写操作性能下降

由于每次写操作都需要复制整个数组，并在新数组上执行修改，因此写操作的性能可能会受到较大影响。特别是在高并发场景下，这种性能下降可能会更加明显。

频繁的垃圾回收

由于写操作会创建新的数组，因此可能导致频繁的垃圾回收。这可能会对系统的整体性能产生影响。

总的来说，CopyOnWriteArrayList是一种适用于读多写少场景的线程安全列表实现。它通过复制底层数组的方式实现了读写分离，提高了读操作的并发性能。但在使用时需要根据具体场景进行权衡和选择，以避免潜在的性能问题。

3️⃣CopyOnWriteArrayList使用场景

CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的场景。在这种场景下，由于读操作不需要获取锁，因此可以充分发挥多核CPU的并行计算能力，提高系统的吞吐量。然而，在写操作较为频繁的场景下，CopyOnWriteArrayList的性能可能会受到较大影响。

4️⃣CopyOnWriteArrayList的应用

下面是一个使用CopyOnWriteArrayList的代码，它模拟了一个简单的新闻发布系统。在这个系统中，多个线程可以并发地添加新闻和读取新闻列表。由于读操作远多于写操作，因此使用CopyOnWriteArrayList是合适的。

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

// 新闻类
class News {
    private String title;
    private String content;

    public News(String title, String content) {
        this.title = title;
        this.content = content;
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "News{" +
                "title='" + title + '\'' +
                ", content='" + content + '\'' +
                '}';
    }
}

// 新闻发布系统类
public class NewsPublisherSystem {
    // 使用CopyOnWriteArrayList存储新闻列表
    private final List<News> newsList = new CopyOnWriteArrayList<>();

    // 添加新闻
    public void addNews(News news) {
        newsList.add(news);
        System.out.println("新闻已添加: " + news);
    }

    // 获取新闻列表
    public List<News> getNewsList() {
        return newsList;
    }

    // 模拟多线程添加和读取新闻
    public void simulate() {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 提交5个添加新闻的任务
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int index = i;
            executor.submit(() -> {
                for (int j = 0; j < 10; j++) {
                    News news = new News("新闻标题" + index + "-" + j, "新闻内容" + index + "-" + j);
                    addNews(news);
                    try {
                        // 模拟新闻发布的延迟
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }

        // 提交5个读取新闻列表的任务
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.submit(() -> {
                for (int j = 0; j < 20; j++) {
                    System.out.println("当前新闻列表: " + getNewsList());
                    try {
                        // 模拟读取新闻列表的延迟
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }

        // 关闭执行器服务
        executor.shutdown();
        try {
            if (!executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES)) {
                executor.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            executor.shutdownNow();
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        NewsPublisherSystem system = new NewsPublisherSystem();
        system.simulate();
    }
}

NewsPublisherSystem类维护了一个CopyOnWriteArrayList来存储新闻对象。addNews方法用于添加新闻到列表中，而getNewsList方法用于获取当前的新闻列表。

在simulate方法中，我们创建了一个固定大小的线程池，并提交了10个任务：其中5个任务用于添加新闻，另外5个任务用于读取新闻列表。每个添加新闻的任务会创建并添加10条新闻，而每个读取新闻列表的任务会读取新闻列表20次。

由于使用了CopyOnWriteArrayList，多个线程可以同时读取新闻列表，而不会有线程安全问题。当添加新闻时，CopyOnWriteArrayList会复制底层数组，从而保证读取操作不会受到写操作的影响。

请注意，由于CopyOnWriteArrayList在写操作时会复制整个底层数组，因此在新闻列表非常大且写操作频繁的情况下，性能可能会受到影响。在这种情况下，可能需要考虑其他并发数据结构或同步策略。然而，在本案例中，由于读操作远多于写操作，使用CopyOnWriteArrayList是合适的。

5️⃣总结

CopyOnWriteArrayList是Java并发编程中一个重要的线程安全列表实现。它通过复制底层数组的方式实现了读写分离，提高了读操作的并发性能。然而，它也存在一些潜在的性能问题，如内存占用增加、写操作性能下降以及频繁的垃圾回收。因此，在使用CopyOnWriteArrayList时，需要根据具体的使用场景进行权衡和选择。在读多写少的场景下，CopyOnWriteArrayList可以发挥出色的性能；而在写操作较为频繁的场景下，可能需要考虑其他线程安全的列表实现。