- 什么是CopyOnWriteArrayList
- CopyOnWriteArrayList常用方法
- CopyOnWriteArrayList源码详解
- CopyOnWriteArrayList使用注意点
- CopyOnWriteArrayList存在的性能问题
- CopyOnWriteArrayList 使用实例
- 基本应用实例
- 并发应用实例
- 拓展
- 写时复制
什么是CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的ArrayList，它使用了一种称为“写时复制”（Copy-on-Write）的策略来保证线程安全。
在CopyOnWriteArrayList中，每个元素都存储在一个数组中。当一个线程要对数组进行修改（例如添加、删除元素）时，它会首先复制一份当前数组的副本，对副本进行修改，然后将新的数组替换掉旧的数组。这样做的好处是，其他线程在读取数组时始终会看到一个一致的、不会改变的数组，从而避免了线程间的竞争条件。
由于CopyOnWriteArrayList采用写时复制的策略，因此在高并发的情况下可能会导致频繁的复制操作，这会消耗一定的系统资源。但是，如果读操作的频率远远高于写操作的频率，那么CopyOnWriteArrayList可以提供较好的并发性能和较高的读操作吞吐量。
总的来说，CopyOnWriteArrayList适用于读操作远多于写操作的场景，它提供了一种线程安全的解决方案，使得在并发环境下也能够保证数据的一致性和可靠性。
CopyOnWriteArrayList常用方法
CopyOnWriteArrayList常用的方法有：
-
- get(int index)：获取指定索引位置的元素。
-
- set(int index, E element)：将指定索引位置的元素替换为新元素。
-
- add(E element)：在集合的末尾添加新元素。
-
- remove(Object o)：从集合中移除指定的元素。
-
- size()：返回集合的大小。
-
- contains(Object o)：检查集合中是否包含指定的元素。
-
- iterator()：返回一个迭代器，用于遍历集合中的元素。
-
- toArray()：将集合转换为数组。
-
- addAll(Collection c)：将指定集合中的所有元素添加到CopyOnWriteArrayList中。
-
- removeAll(Collection c)：从CopyOnWriteArrayList中移除指定集合中的所有元素。
-
- retainAll(Collection c)：仅保留CopyOnWriteArrayList中包含在指定集合中的元素。
这些方法可以帮助你在使用CopyOnWriteArrayList时完成更复杂的操作。需要注意的是，由于CopyOnWriteArrayList是线程安全的，因此在多线程环境下使用时需要注意并发问题。
CopyOnWriteArrayList源码详解
以下是CopyOnWriteArrayList的源码详解，让我们一起来看一下每一个步骤做的一些事情：
- 创建数组
在CopyOnWriteArrayList中，每个元素都存储在一个数组中。在创建CopyOnWriteArrayList时，需要传入一个初始大小。这个初始大小决定了初始数组的大小。例如，创建一个大小为10的CopyOnWriteArrayList时，会创建一个长度为10的数组。
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] elements = c.toArray();
this.capacity = ArraysSupport.arrayLength(elements);
myData = ArraysSupport.newArray(E.class, capacity);
System.arraycopy(elements, 0, myData, 0, elements.length);
size = elements.length;
}
- 获取元素
get方法根据索引获取数组中指定位置的元素。由于CopyOnWriteArrayList是线程安全的，因此在获取元素时不需要加锁。
public E get(int index) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size " + size);
}
return myData[index];
}
- 修改元素
set方法将指定索引位置的元素替换为新元素。它首先会检查索引的有效性，然后将当前索引位置的元素替换为新元素。与get方法一样，set方法也不需要加锁，因为它会在对数组进行修改时复制一份新的数组。
public E set(int index, E element) {
if (index < 0 || index >= size) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size " + size);
}
E oldValue = myData[index];
myData[index] = element;
return oldValue;
}
- 添加元素
在CopyOnWriteArrayList中，添加元素的主要方法是add(E e)。以下是该方法的大致源码解析：
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 确保数组容量足够
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 在新数组的最后位置添加元素
newElements[len] = e;
// 将新数组设置为当前数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
解析：
- 首先，该方法获取了
CopyOnWriteArrayList的内部锁，以确保线程安全。 - 接着，它获取当前的数组，并计算其长度。
- 使用
Arrays.copyOf()方法创建一个新的数组，其容量比原始数组多1。这样做是为了容纳新添加的元素。 - 在新数组的最后一个位置添加元素。
- 最后，使用
setArray()方法将新数组设置为当前的数组。 - 无论操作是否成功，最后都要释放锁。
值得注意的是，每次对CopyOnWriteArrayList进行修改（如添加、删除元素）时，它都会创建一个新的数组。这种“写时复制”的策略确保了线程安全，但也意味着在频繁修改的情况下，可能会引起内存和性能上的问题。因此，CopyOnWriteArrayList最适用于读操作远多于写操作的场景。
- 删除元素
remove方法从集合中移除指定的元素。它会遍历数组，找到要删除的元素，并将其从数组中移除。然后，它会创建一个新的数组，将原始数组中剩余的元素复制到新数组中，并将新数组设置为当前数组。与add方法一样，remove方法也只需要在扩容时同步一次即可。
public E remove(int index) {
final Object[] elements;
final int length;
elements = myData;
length = size;
if (index < 0 || index >= length) {
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " + index + ", Size " + size);
}
// not inlined: HotSpot inlines only if the condition is false (it is not always true)
E oldValue = (E) elements[index];
int numMoved = length - index - 1;
if (numMoved == 0) {
// nothing to move, so just null out the removed element and return
elements[index] = null;
} else {
// shift all elements down one position to fill the gap left by the removed element
System.arraycopy(elements, index + 1, elements, index, numMoved);
}
// decrement size and clear the last element (which is now冗余)
size--;
elements[length - 1] = null;
return oldValue;
}
- 迭代器
CopyOnWriteArrayList还提供了一个迭代器，用于遍历集合中的元素。由于CopyOnWriteArrayList是线程安全的，因此在迭代过程中不需要加锁。但是，如果在迭代过程中修改了集合，那么迭代器可能不会反映这些更改。因此，迭代器只能保证在创建时集合的一致性。
- 并发性能
CopyOnWriteArrayList采用写时复制的策略来保证线程安全。这种策略在高并发的情况下可能会导致频繁的复制操作，消耗一定的系统资源。但是，如果读操作的频率远远高于写操作的频率，那么CopyOnWriteArrayList可以提供较好的并发性能和较高的读操作吞吐量。此外，由于CopyOnWriteArrayList在修改集合时不需要加锁，因此它可以避免死锁和其他线程同步问题。
总的来说，CopyOnWriteArrayList适用于读操作远多于写操作的场景，它提供了一种线程安全的解决方案，使得在并发环境下也能够保证数据的一致性和可靠性。同时，我们也需要注意在使用CopyOnWriteArrayList时需要考虑其并发性能和适用场景。
CopyOnWriteArrayList使用注意点
使用CopyOnWriteArrayList时，需要注意以下几点：
- 写同步，读非同步：多个线程对
CopyOnWriteArrayList进行写操作是线程同步的，因为内部使用了可重入锁，并且在进行修改时，内部先拷贝了一份数据源，再进行操作后，将原数据覆盖，解锁。但是读操作是非线程同步的，如果在for循环中使用下标的方式去读取数据，可能报错ArrayIndexOutOfBoundsException。 - 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。
- 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。因为复制和操作元素需要一点儿时间，所以会有延迟。如果希望写入的数据马上能读到，要求数据强一致性的话，请不要使用CopyOnWrite容器。
- 迭代器的使用：
CopyOnWriteArrayList的迭代器实现了ListIterator接口，但是add()、set()和remove()方法都直接抛出了UnsupportedOperationException异常。所以应该避免使用迭代器的这几个方法。
请注意，
CopyOnWriteArrayList适用于读操作远多于写操作的场景。如果写操作非常频繁，那么可能会引起内存和性能上的问题。在选择是否使用它时，需要根据具体的应用场景进行考虑。
CopyOnWriteArrayList存在的性能问题
CopyOnWriteArrayList的性能问题主要集中在以下几个方面：
- 写操作开销大：每次对列表进行修改操作（如add、set等），
CopyOnWriteArrayList都会复制一份新的数据数组，这对内存和CPU都是较大的开销。如果写操作非常频繁，那么可能会引起内存占用过高和GC频繁，从而影响性能。 - 读操作可能不是实时的：由于写操作的复制机制，读操作可能不会立即看到最新的写入数据，这会导致数据的一致性问题。如果应用需要强一致性，那么
CopyOnWriteArrayList可能不是一个好的选择。 - 迭代器操作可能抛出异常：如前所述，
CopyOnWriteArrayList的迭代器不支持add、set和remove操作，如果尝试使用这些方法，会抛出UnsupportedOperationException异常。这可能会在使用迭代器进行遍历操作时引发问题。 - 不适合大量数据：由于写操作需要复制整个数据数组，如果列表中包含大量数据，那么写操作的开销会非常大。这种情况下，其他线程安全的列表实现（如
ConcurrentLinkedQueue或BlockingQueue）可能是更好的选择。
CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的场景，且数据一致性要求不那么严格的情况。在使用时，需要根据应用的具体需求进行权衡和选择。
CopyOnWriteArrayList 使用实例
基本应用实例
下面是一个简单的Java代码实例，它演示了如何使用CopyOnWriteArrayList：
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
public class Example {
public static void main(String[] args) {
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 添加元素
list.add("Hello");
list.add("World");
list.add("Java");
// 输出列表中的元素
for (String str : list) {
System.out.println(str);
}
// 移除元素
list.remove("World");
// 输出列表中的元素
for (String str : list) {
System.out.println(str);
}
}
}
在这个例子中，我们创建了一个CopyOnWriteArrayList对象，并向其中添加了三个字符串元素。然后，我们使用一个简单的for-each循环遍历列表并输出其中的元素。接着，我们移除了一个元素，并再次遍历列表并输出剩余的元素。这个例子展示了CopyOnWriteArrayList的基本用法和特点。
并发应用实例
在并发环境中，CopyOnWriteArrayList的一个典型应用实例是实现一个线程安全的日志记录器。下面是一个示例代码，它使用了CopyOnWriteArrayList来存储日志条目，并确保在多线程环境下对日志的读取和写入操作都是安全的。
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;
public class ThreadSafeLogger {
private final CopyOnWriteArrayList<String> logEntries;
private static final Logger LOGGER = Logger.getLogger(ThreadSafeLogger.class.getName());
public ThreadSafeLogger() {
logEntries = new CopyOnWriteArrayList<>();
}
public void log(String message) {
logEntries.add(message);
LOGGER.log(Level.INFO, message);
}
public void log(Exception ex) {
logEntries.add(ex.getMessage());
LOGGER.log(Level.SEVERE, ex.getMessage(), ex);
}
public void printLog() {
for (String entry : logEntries) {
System.out.println(entry);
}
}
}
在这个示例中，ThreadSafeLogger类使用CopyOnWriteArrayList来存储日志条目。log()方法用于将消息和异常添加到日志列表中，并使用Java的内置日志记录器（Logger）将消息记录到标准输出。printLog()方法遍历日志列表并打印所有条目。由于logEntries列表是线程安全的，因此可以在多线程环境中安全地添加、读取和打印日志条目。
拓展
写时复制
写时复制（Copy-On-Write，简称COW）是一种用于处理数据的计算机技术，其基本思想是当需要修改数据时，先将数据复制一份，然后在复制的数据上进行修改，这样原数据不会被改变，从而保证了数据的一致性和安全性。这种技术主要应用于并发环境，以避免多个线程或进程同时修改同一份数据而引发的问题。
在Java的CopyOnWriteArrayList中，写时复制技术被用来实现线程安全。当对列表进行修改操作（如add、set等）时，CopyOnWriteArrayList会先复制一份当前的数据数组，然后在复制的数据上进行修改，最后再将修改后的数据数组替换掉原来的数据数组。这样可以保证在进行写操作的同时，读操作可以无锁地访问原来的数据数组，从而实现线程安全。
写时复制技术的优点是可以实现高效的并发读写操作，因为读操作不需要加锁，可以并发进行。但是，写操作的开销比较大，因为每次写操作都需要复制一份数据，这会消耗较多的内存和CPU资源。因此，写时复制技术适用于读多写少的场景，如果写操作非常频繁，那么可能会影响性能。
需要注意的是，写时复制技术并不能完全保证数据的一致性。因为复制和操作元素需要一定的时间，所以可能会出现延迟，导致读操作不能立即看到最新的写入数据。因此，如果应用需要强一致性，那么写时复制技术可能不是一个好的选择。
写时复制技术的优点包括：
-
如果调用者没有修改该资源，就不会有副本被建立，因此多个调用者只是读取操作可以共享同一份资源。
-
写时复制可以减少不必要的资源分配。如fork进程时，并不是所有的页面都需要复制，父进程的代码段和只读数据段都不被允许修改，所以无需复制。
-
当实体有需要对资源进行修改时才真正为实体分配私有资源，减少了分配和复制大量资源带来的延时。写时复制技术是一种很重要的优化手段，核心是懒惰处理实体资源请求，在多个实体资源之间只是共享资源，起初并不真正实现资源复制，只有当实体有需要对资源进行修改时才真正为实体分配私有资源。
总的来说，写时复制技术的优点主要是减少资源占用和提高效率。
ConcurrentLinkedDeque详解-Deque接口链表实现方案
ArrayDeque详解-Deque接口数组实现方案
LinkedList详解-Deque接口链表实现方案
Java中Deque接口方法解析
