Collections.synchronizedList 、CopyOnWriteArrayList、Vector介绍、源码浅析与性能对比【文末福利】
Nauyus 人气:0ArrayList线程安全问题
众所周知，ArrayList不是线程安全的，在并发场景使用ArrayList可能会导致add内容为null,迭代时并发修改list内容抛ConcurrentModificationException异常等问题。java类库里面提供了以下三个轮子可以实现线程安全的List，它们是
Vector Collections.synchronizedList CopyOnWriteArrayList
本文简要的分析了下它们线程安全的实现机制并对它们的读，写，迭代性能进行了对比。
Vector
从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，底层采用数组实现。其线程安全的实现方式非常粗暴：Vector大部分方法和ArrayList都是相同的，只是加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了。JAVA官方文档中这样描述：
If a thread-safe implementation is not needed, it is recommended to use ArrayList in place of Vector.
如果不需要线程安全性，推荐使用ArrayList替代Vector
关键源码如下：
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = e;
return true;
}
public synchronized Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
可以看到Vector通过在方法级别上加入了synchronized关键字实现线程安全性。
Collections.synchronizedList
因为ArrayList不是线程安全的，JDK提供了一个Collections.synchronizedList静态方法将一个非线程安全的List(并不仅限ArrayList)包装为线程安全的List。使用方式如下：
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
根据文档，转换包装后的list可以实现add，remove，get等操作的线程安全性，但是对于迭代操作，Collections.synchronizedList并没有提供相关机制，所以迭代时需要对包装后的list（敲黑板，必须对包装后的list进行加锁，锁其他的不行）进行手动加锁，使用方式如下：
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
//必须对list进行加锁
synchronized (list) {
Iterator i = list.iterator();
while (i.hasNext())
foo(i.next());
}
这个地方要注意两个地方：
迭代操作必须加锁，可以使用 synchronized关键字修饰;synchronized持有的监视器对象必须是 synchronized (list),即包装后的list,使用其他对象如synchronized (new Object())会使add,remove等方法与迭代方法使用的锁不一致，无法实现完全的线程安全性。
通过源码可知Collections.synchronizedList生成了特定同步的SynchronizedCollection，生成的集合每个同步操作都是持有mutex这个锁，所以再进行操作时就是线程安全的集合了。关键地方已经加了注释：
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
//ArrayList使用了SynchronizedRandomAccessList类
new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new SynchronizedList<>(list));
}
//SynchronizedRandomAccessList继承自SynchronizedList
static class SynchronizedRandomAccessList<E> extends SynchronizedList<E> implements RandomAccess {
}
//SynchronizedList对代码块进行了synchronized修饰来实现线程安全性
static class SynchronizedList<E> extends SynchronizedCollection<E> implements List<E> {
public E get(int index) {
synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}
public E set(int index, E element) {
synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
}
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}
//迭代操作并未加锁，所以需要手动同步
public ListIterator<E> listIterator() {
return list.listIterator();
}
}
CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包下面的一个实现线程安全的List,顾名思义，
Copy~On~Write~ArrayList在进行写操作(add,remove,set等)时会进行Copy操作，可以推测出在进行写操作时CopyOnWriteArrayList性能应该不会很高。
先看一下 CopyOnWriteArrayList 的结构：
public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;
/** The lock protecting all mutators */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;
/**
* Creates an empty list.
*/
public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}
}
可以看到CopyOnWriteArrayList底层实现为Object[] array数组。
添加元素：
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
可以看到每次添加元素时都会进行Arrays.copyOf操作，代价非常昂贵。
读的时候是不需要加锁的，直接获取。删除和增加是需要加锁的。
有两点必须讲一下。我认为CopyOnWriteArrayList这个并发组件，其实反映的是两个十分重要的分布式理念：
（1）读写分离
我们读取CopyOnWriteArrayList的时候读取的是CopyOnWriteArrayList中的Object[] array，但是修改的时候，操作的是一个新的Object[] array，读和写操作的不是同一个对象，这就是读写分离。这种技术数据库用的非常多，在高并发下为了缓解数据库的压力，即使做了缓存也要对数据库做读写分离，读的时候使用读库，写的时候使用写库，然后读库、写库之间进行一定的同步，这样就避免同一个库上读、写的IO操作太多。
（2）最终一致
对CopyOnWriteArrayList来说，线程1读取集合里面的数据，未必是最新的数据。因为线程2、线程3、线程4四个线程都修改了CopyOnWriteArrayList里面的数据，但是线程1拿到的还是最老的那个Object[] array，新添加进去的数据并没有，所以线程1读取的内容未必准确。不过这些数据虽然对于线程1是不一致的，但是对于之后的线程一定是一致的，它们拿到的Object[] array一定是三个线程都操作完毕之后的Object array[]，这就是最终一致。最终一致对于分布式系统也非常重要，它通过容忍一定时间的数据不一致，提升整个分布式系统的可用性与分区容错性。当然，最终一致并不是任何场景都适用的，像火车站售票这种系统用户对于数据的实时性要求非常非常高，就必须做成强一致性的。
性能对比
通过前面的分析可知
Vector对所有操作进行了synchronized关键字修饰，性能应该比较差CopyOnWriteArrayList在写操作时需要进行copy操作，读性能较好，写性能较差Collections.synchronizedList性能较均衡，但是迭代操作并未加锁，所以需要时需要额外注意
下面写了个测试程序对三者的读，写，遍历进程了测试来验证下，测试机器信息如下：
操作系统:macOS High Sierra 10.13.6
CPU:2.8 GHz Intel Core i7
内存：16 GB 2133 MHz LPDDR3
测试代码：
**
* 比较Vector，Collections.synchronizedList，CopyOnWriteArrayList读操作，写操作，遍历操作性能
*
* @author nauyus
* @date 2020年01月29日
*/
public class ListPerformanceTest {
/**
* 并发数
*/
public final static int THREAD_COUNT = 64;
/**
* list大小
*/
public final static int SIZE = 10000;
/**
* 测试读性能
*
* @throws Exception
*/
@Test
public void testGet() throws Exception {
List<Integer> list = initList();
List<Integer> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>(list);
List<Integer> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);
Vector vector = new Vector(list);
int copyOnWriteArrayListTime = 0;
int synchronizedListTime = 0;
int vectorTime = 0;
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
copyOnWriteArrayListTime += executor.submit(new GetTestTask(copyOnWriteArrayList, countDownLatch)).get();
}
System.out.println("CopyOnWriteArrayList get method cost time is " + copyOnWriteArrayListTime);
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
synchronizedListTime += executor.submit(new GetTestTask(synchronizedList, countDownLatch)).get();
}
System.out.println("Collections.synchronizedList get method cost time is " + synchronizedListTime);
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
vectorTime += executor.submit(new GetTestTask(vector, countDownLatch)).get();
}
System.out.println("vector get method cost time is " + vectorTime);
}
private List<Integer> initList() {
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
list.add(new Random().nextInt(1000));
}
return list;
}
class GetTestTask implements Callable<Integer> {
List<Integer> list;
CountDownLatch countDownLatch;
GetTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {
this.list = list;
this.countDownLatch = countDownLatch;
}
@Override
public Integer call() {
int pos = new Random().nextInt(SIZE);
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
list.get(pos);
}
long end = System.currentTimeMillis();
countDownLatch.countDown();
return (int) (end - start);
}
}
完整版代码可以点击阅读原文或公众号内回复文章编号010获取
测试结果：
可以看到随着线程数的增加，三个类操作时间都有所增加，Vector的遍历操作和CopyOnWriteArrayList的写操作（图片中标红的部分）性能消耗尤其严重。出乎意料的是Vector的读写操作和Collections.synchronizedList比起来并没有什么差别（印象中Vector性能很差，实际性能差的只是遍历操作，看来还是纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行啊），仔细分析了下代码，虽然Vector使用synchronized修饰方法，Collections.synchronizedList使用synchronized修饰语句块，但实际锁住内容并没有什么区别，性能相似也在情理之中。
总结
CopyOnWriteArrayList的写操作与Vector的遍历操作性能消耗尤其严重，不推荐使用。CopyOnWriteArrayList适用于读操作远远多于写操作的场景。Vector读写性能可以和Collections.synchronizedList比肩，但Collections.synchronizedList不仅可以包装ArrayList,也可以包装其他List,扩展性和兼容性更好。
参考资料：
Java集合：CopyOnWriteArrayList与SynchronizedList
SynchronizedList和Vector的区别
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