CopyOnWrite
- CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,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。这样做的好处是我们可以对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。
- 那为什么不直接修改,而是要拷贝一份修改呢?
这是为了在“读”的时候不加锁。(以空间换时间的策略) - 为了提升读取的效率,修改时不在原数据上修改,而是在复制的数组上修改,改完之后再设置回来,这样做就不会阻塞读的线程
CopyOnWriteArrayList
- CopyOnWriteArrayList,写数组的拷贝,支持高效率并发且是线程安全的,读操作无锁的ArrayList。所有可变操作都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现。
- CopyOnWriteArrayList适合使用在读操作远远大于写操作的场景里,比如缓存。它不存在扩容的概念,每次写操作都要复制一个副本,在副本的基础上修改后改变Array引用。CopyOnWriteArrayList中写操作需要大面积复制数组,所以性能肯定很差。
- CopyOnWriteArrayList 合适读多写少的场景,不过这类慎用 ,因为谁也没法保证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,这个代价实在太高昂了。在高性能的互联网应用中,这种操作分分钟引起故障。
- 内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制,所以在进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,旧的对象和新写入的对象(注意:在复制的时候只是复制容器里的引用,只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里,而旧容器的对象还在使用,所以有两份对象内存)。如果这些对象占用的内存比较大,比如说200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会占用300M,那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象,造成了每晚15秒的FullGC,应用响应时间也随之变长。
针对内存占用问题,可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗,比如,如果元素全是10进制的数字,可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器,而使用其他的并发容器,如ConcurrentHashMap。 - 数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。
CopyOnWriteArrayList的核心数据结构是一个数组,代码如下:
public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess,Cloneable, java.io.Serializable {
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private transient volatile Object[] array;
}
构造函数
public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
final Object[] getArray() {return array;}
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] elements;
if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
else {
elements = c.toArray();
if (elements.getClass() != Object[].class)
elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
}
setArray(elements);
}
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}
下面是CopyOnArrayList的几个“读”方法:
final Object[] getArray() {
return array;
}
public E get(int index) {
return elementAt(getArray(), index);
}
public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
}
public boolean contains(Object o) {
return indexOf(o) >= 0;
}
public int indexOf(Object o) {
Object[] es = getArray();
return indexOfRange(o, es, 0, es.length);
}
private static int indexOfRange(Object o, Object[] es, int from, int to) {
if (o == null) {
for (int i = from; i < to; i++)
if (es[i] == null)
return i;
} else {
for (int i = from; i < to; i++)
if (o.equals(es[i]))
return i;
}
return -1;
}
既然这些“读”方法都没有加锁,那么是如何保证“线程安全”呢?答案在“写”方法里面。
add
public class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
final transient Object lock = new Object();
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();
}
}
public void add(int index, E element) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
int len = es.length;
if (index > len || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBounds(index,len));
Object[] newElements;
int numMoved = len - index;
if (numMoved == 0)
newElements = Arrays.copyOf(es, len + 1);
else {
newElements = new Object[len + 1];
System.arraycopy(es, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(es, index, newElements, index + 1,numMoved);
}
newElements[index] = element;
setArray(newElements);
}
}
}
remove
public boolean remove(Object o) {
Object[] snapshot = getArray();
int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);
return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
}
private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
if (snapshot != current) findIndex: {
int prefix = Math.min(index, len);
for (int i = 0; i < prefix; i++) {
if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {
index = i;
break findIndex;
}
}
if (index >= len)
return false;
if (current[index] == o)
break findIndex;
index = indexOf(o, current, index, len);
if (index < 0)
return false;
}
Object[] newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(current, index + 1,
newElements, index,
len - index - 1);
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySet 就是用 Array 实现的一个 Set,保证所有元素都不重复。其内部是封装的一个CopyOnWriteArrayList。
public class CopyOnWriteArraySet<E> extends AbstractSet<E> implements java.io.Serializable {
private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
public CopyOnWriteArraySet() {
al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
}
public boolean add(E e) {
return al.addIfAbsent(e);
}
}
总结
- CopyOnWriterArrayList的源码还是比较简单的,重要的是以空间换时间的策略,这一点在并发编程的应用,如LongAdder,当线程不存在竞争的时候,首先将值写入到base中,当线程之间有竞争时内部维护了一个base值和一个cell数组。
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