Java CopyOnWriteArrayList源码超详细分析

时间:2022-11-07 OlaiolaiO 人气:0

一、概述

CopyOnWriteArrayList是基于写时复制技术实现的，适用于读多写少场景下的线程安全的并发容器。读操作永远不会加锁，读读、读写都不会冲突，只有写写需要等待。写操作时，为了不影响其它线程的读取，它会进行一次自我复制，待数据写入完成后再替换array数组。array数组是被volatile修饰的，它被修改后可以被其他线程立刻发现。

public class copyOnwriteArrayList<E>
implements List<E>,RandomAccess，Cloneable，java.io.Serializable {
//加锁: ReentrantLock
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock( ) ;
// volatile:保证可见性
private transient volatile object[ ] array;
//获取数组
final object[] getArray() ireturn array ;
}
//存入数组
final void setArray(object[ ] a) iarray = a;
}
//无参构造方法:初始化数组，容量为日public CopyOnwriteArrayList( ) i
setArray( new object[e]);
}
//有参构造方法:传入集合
public CopyOnwriteArrayList(collection< ? extends E> c) {
object[] elements;
//判断传入的集合是否是CopyOnwriteArrayList类型if (c.getclass() == copyonwriteArrayList.class)
//获取数组
elements = ((copyOnwriteArrayList<?>)c).getArray();else i
//将集合转为数组
elements = c.toArray();
// c.toArray might (incorrectly) not return object[] (see 6260652)1/判断数组是否是object[]
if (elements.getclass() i= object[].class)
//复制数组
elements = Arrays.copyof(elements，elements.length，object[ ].c1
}
setArray(elements) ;
}
setArray(elements ) ;
}

二、类图

实现了RandomAccess接口，代表它支持快速随机访问，因为它底层数据结构是数组，支持通过下标快速访问；
实现了Cloneable接口，代表它支持克隆，使用的是浅拷贝模式；
实现了List接口，代表它是一个有序的列表容器，支持迭代遍历等操作。

三、核心方法

1.add()

向容器中添加元素时，需要竞争锁，同一时刻最多只有一个线程可以操作。因为是写时复制，写入数据时不应该影响其他线程的读取，因此不会直接在array数组上操作，而是拷贝一个新的数组，元素设置完成后再覆盖旧数组。

public boolean add(E e) {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
		Object[] elements = getArray();
		int len = elements.length;
		// 拷贝一个长度+1的数组，将元素放到末尾
		Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 填充要追加的元素e
		newElements[len] = e;
        // 覆盖旧数组
		setArray(newElements);
		return true;
	} finally {
		lock.unlock();
	}
}

2.set()

set方法用来给指定下标设置值，同时会返回旧值。它也是一个写入操作，因此也需要竞争到锁才能执行。为了不影响其它线程读取，它会拷贝一个同样长度的新数组，然后做数据拷贝，在新数组上完成新值的设置，最终再写回array。

public E set(int index, E element) {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
		Object[] elements = getArray();
		// 先获取旧元素
		E oldValue = get(elements, index);
		if (oldValue != element) {
			int len = elements.length;
			// 拷贝一个一样的数组，替换下标元素，并写入array
			Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
			newElements[index] = element;
			setArray(newElements);
		} else {
			// 即使元素没有变化，也要写入array，确保volatile的写语义
			// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
			setArray(elements);
		}
		return oldValue;
	} finally {
		lock.unlock();
	}
}

3.remove()

remove也是写操作，只有竞争到锁的线程才能执行。它先是取出对应下标的旧元素，然后新建了一个原数组长度减1的新数组，完成数据拷贝后，再写回array，整个过程依然不影响其它线程读。

public E remove(int index) {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
		Object[] elements = getArray();
		int len = elements.length;
		// 要移除的旧元素
		E oldValue = get(elements, index);
		int numMoved = len - index - 1;
		if (numMoved == 0)
			// 删除的是最后一个元素，直接拷贝一个长度-1的数组写回array即可
			setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
		else {
			// 删除的是中间元素，拷贝一个长度-1的数组
			Object[] newElements = new Object[len - 1];
			// 拷贝前半段元素
			System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
			// 拷贝后半段元素
			System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
					numMoved);
			// 写回array
			setArray(newElements);
		}
		return oldValue;
	} finally {
		lock.unlock();
	}
}

4.get()

通过下标获取元素，直接从array数组中取。因为是写时复制的，可能在访问时已经有新的元素加入，或者有元素被删除，这是会存在延迟的，不是实时的，这是它的一个缺点。

public E get(int index) {
    // getArray()获取的就是array
    return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

5.size()

获取元素的数量直接取数组的长度即可。因为CopyOnWriteArrayList的数组是不可变数组，它始终是一个被填充满的数组对象，没有扩容的操作，因此也没有必要像ArrayList一样，额外使用一个int size来记录数量。

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

四、总结

CopyOnWriteArrayList 具有以下特性：

在保证并发读取的前提下，确保了写入时的线程安全；
由于每次写入操作时，进行了Copy复制原数组，所以无需扩容；
适合读多写少的应用场景。由于 add() 、 set() 、 remove() 等修改操作需要复制整个数组，所以会有内存开销大的问题；
CopyOnWriteArrayList 由于只在写入时加锁，所以只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。

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