详解CopyOnWrite容器及其源码

详解CopyOnWrite容器及其源码

在jave.util.concurrent包下有这样两个类：CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。
其中利用到了CopyOnWrite机制，本篇就来聊聊CopyOnWrite技术与Java中的CopyOnWrite容器。
主要包扩以下内容：

什么是CopyOnWrite

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArraySet

CopyOnWrite适用场景

什么是CopyOnWrite

对于一般的容器，比如ArrayList，在进行并发操作时，如果一个线程读，一个线程写，会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWrite容器则避免了这种情况。
CopyOnWrite，顾名思义，写时复制，在修改集合中数据的时候，不直接修改当前容器，而是先将当前容器进行拷贝，复制出一个新的容器，然后在新的容器里完成修改，再将原容器的引用指向新的容器。
这样做的好处是，可以不通过加锁，实现对CopyOnWrite容器的并发读写。需要注意的是，CopyOnWrite技术并不保证实时一致性，因为在读写并行时，有可能会读到过期的数据。CopyOnWrite技术保证的是最终一致性。

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList的底层是通过数组来实现的，其包含两个属性：

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  final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private transient volatile Object[] array;
 

 

前者用于在对CopyOnWriteArrayList进行修改时加锁，后者用于保存容器中的元素（允许null元素），对array加了volatile关键字，保证每次修改容器的时候对其他线程都是可见的。
在其各种接口的实现中，用的最多的是如下两个方法：

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  final Object[] getArray() {
return array;
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
 

 

getArray()方法返回当前数组，而setArray()方法用于在CopyOnWriteArrayList变化时，将array执行修改后的数组内存地址。
CopyOnWriteArrayList提供了三种构造函数：

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  CopyOnWriteArrayList(); // 创建一个array长度为0的CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c); // 以一个特定容器为参数创建CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn); // 以一个数组为参数创建CopyOnWriteArrayList
 

 

根据实际的需要创建即可。
CopyOnWriteArrayList提供的读方法与数组的读方法并无什么大的不同，因为CopyOnWriteArrayList本身解决的问题就不是读读并发的问题，所以重一下其写方法。
首先看一下set()方法，set()方法为指定位置设置特定值，如下是其实现：

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  public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 1
try {
Object[] elements = getArray(); // 2
E oldValue = get(elements, index);
if (oldValue != element) { // 3
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len); // 4
newElements[index] = element; // 5
setArray(newElements); // 6
} else {
setArray(elements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock(); // 7
}
}
 

 

分别看一下以上代码中的关键几步：

可以看到CopyOnWriteArrayList为了保证在复制原容器时是加了一个可重入锁的，在set完成后释放该锁；

获取当前的数组；

判断要设置的位置的旧值与新值是否相同，如果相同则免去容器的拷贝工作；

将原容器复制一份；

修改该处的值为新值；

重新创建CopyOnWriteArrayList容器，将旧容器的内存地址改为新容器所在内存地址；

完成set，释放锁。
再看一下add()方法，向容器中添加一个元素，如下是其源码： 1
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  public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 1
try {
Object[] elements = getArray(); // 2
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 3
newElements[len] = e; // 4
setArray(newElements); // 5
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}