面试:知道 CopyOnWriteArrayList 吗?

it2025-06-10  14

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作者:myseries

来源:cnblogs.com/myseries/p/10877420.html

写入时复制(CopyOnWrite)思想

写入时复制(CopyOnWrite,简称COW)思想是计算机程序设计领域中的一种优化策略。其核心思想是,如果有多个调用者(Callers)同时要求相同的资源(如内存或者是磁盘上的数据存储),他们会共同获取相同的指针指向相同的资源,直到某个调用者视图修改资源内容时,系统才会真正复制一份专用副本(private copy)给该调用者,而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的(transparently)。此做法主要的优点是如果调用者没有修改资源,就不会有副本(private copy)被创建,因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

CopyOnWriteArrayList的实现原理

在使用CopyOnWriteArrayList之前,我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向CopyOnWriteArrayList中add方法的实现(向CopyOnWriteArrayList里添加元素),可以发现在添加的时候是需要加锁的,否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

/**      * Appends the specified element to the end of this list.      *      * @param e element to be appended to this list      * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})      */     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();     }     }

读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据,读还是会读到旧的数据,因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。

public E get(int index) {     return get(getArray(), index); }

JDK中并没有提供CopyOnWriteMap,我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个,基本代码如下:

import java.util.Collection; import java.util.Map; import java.util.Set;   public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {     private volatile Map<K, V> internalMap;       public CopyOnWriteMap() {         internalMap = new HashMap<K, V>();     }       public V put(K key, V value) {           synchronized (this) {             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);             V val = newMap.put(key, value);             internalMap = newMap;             return val;         }     }       public V get(Object key) {         return internalMap.get(key);     }       public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {         synchronized (this) {             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);             newMap.putAll(newData);             internalMap = newMap;         }     } }

实现很简单,只要了解了CopyOnWrite机制,我们可以实现各种CopyOnWrite容器,并且在不同的应用场景中使用。

几个要点

实现了List接口

内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

底层是用volatile transient声明的数组 array

读写分离,写时复制出一个新的数组,完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array

「注:」

volatile (挥发物、易变的):变量修饰符,只能用来修饰变量。volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时,都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且,当成员变量发生变 化时,强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻,两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

增删改查

1)增

public boolean add(E e) {     final ReentrantLock lock = this.lock;     //获得锁     lock.lock();     try {         Object[] elements = getArray();         int len = elements.length;         //复制一个新的数组         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);         //插入新值         newElements[len] = e;         //将新的数组指向原来的引用         setArray(newElements);         return true;     } finally {         //释放锁         lock.unlock();     } }     public void add(int index, E element) {     final ReentrantLock lock = this.lock;     lock.lock();     try {         Object[] elements = getArray();         int len = elements.length;         if (index > len || index < 0)             throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+                                                 ", Size: "+len);         Object[] newElements;         int numMoved = len - index;         if (numMoved == 0)             newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);         else {             newElements = new Object[len + 1];             System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);             System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,                              numMoved);         }         newElements[index] = element;         setArray(newElements);     } finally {         lock.unlock();     } }

2)删

public E remove(int index) {     final ReentrantLock lock = this.lock;     //获得锁     lock.lock();     try {         Object[] elements = getArray();         int len = elements.length;         E oldValue = get(elements, index);         int numMoved = len - index - 1;         if (numMoved == 0)             //如果删除的元素是最后一个,直接复制该元素前的所有元素到新的数组             setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));         else {             //创建新的数组             Object[] newElements = new Object[len - 1];             //将index+1至最后一个元素向前移动一格             System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);             System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,                              numMoved);             setArray(newElements);         }         return oldValue;     } finally {         lock.unlock();     } }

3)改

public E set(int index, E element) {     final ReentrantLock lock = this.lock;     //获得锁     lock.lock();     try {         Object[] elements = getArray();         E oldValue = get(elements, index);         if (oldValue != element) {             int len = elements.length;             //创建新数组             Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);             //替换元素             newElements[index] = element;             //将新数组指向原来的引用             setArray(newElements);         } else {             // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics             setArray(elements);         }         return oldValue;     } finally {         //释放锁         lock.unlock();     } }

4)查

//直接获取index对应的元素 public E get(int index) {return get(getArray(), index);} private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}

CopyOnWrite的应用场景

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单,黑名单,商品类目的访问和更新场景,假如我们有一个搜索网站,用户在这个网站的搜索框中,输入关键字搜索内容,但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中,黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时,会检查当前关键字在不在黑名单当中,如果在,则提示不能搜索。实现代码如下:

import java.util.Map;   import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;   /**  * 黑名单服务  *  * @author fangtengfei  *  */ public class BlackListServiceImpl {       private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(             1000);       public static boolean isBlackList(String id) {         return blackListMap.get(id) == null ? false : true;     }       public static void addBlackList(String id) {         blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);     }       /**      * 批量添加黑名单      *      * @param ids      */     public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {         blackListMap.putAll(ids);     }   }

代码很简单,但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情:

1. 减少扩容开销。根据实际需要,初始化CopyOnWriteMap的大小,避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。

2. 使用批量添加。因为每次添加,容器每次都会进行复制,所以减少添加次数,可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点,但是同时也存在两个问题,即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

「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Full GC,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为什么并发安全且性能比Vector好

我知道Vector是增删改查方法都加了synchronized,保证同步,但是每个方法执行的时候都要去获得锁,性能就会大大下降,而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁,但是读不加锁,在读方面的性能就好于Vector,CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况。

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