Java基础 -04 List之CopyOnWriteArrayList

news2025/1/12 3:42:45

java集合有蛮多的类型，今天我们以CopyOnWriteArrayList和Vector进行相关介绍。

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是Java集合框架中的一个线程安全的List实现类。它通过在修改操作时创建一个新的副本来实现线程安全性，因此称为"写时复制"。

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当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。

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。

复制用法导致内存占用可能过高。

保证数据最终一致性，无法保证实时一致性。

在这里插入图片描述

特点

线程安全：CopyOnWriteArrayList是线程安全的，多个线程可以同时读取列表中的元素，而不需要额外的同步措施。这使得它非常适合在多线程环境下进行读取操作。
写时复制：当有线程对CopyOnWriteArrayList进行修改操作（如添加、删除元素）时，它会创建一个新的副本，并在副本上进行修改操作。这样，其他线程仍然可以在原始列表上进行读取操作，不会受到修改操作的影响。一旦修改完成，新的副本会替换原始列表，以确保修改的一致性。
高效的读取操作：由于读取操作不需要进行同步，CopyOnWriteArrayList在读取操作上具有很高的性能。这使得它非常适合在读多写少的场景中使用。
低效的写入操作：由于每次写入操作都需要创建一个新的副本，CopyOnWriteArrayList在写入操作上的性能相对较低。因此，如果应用程序中有大量的写入操作，可能会影响性能。
迭代器的弱一致性：CopyOnWriteArrayList的迭代器提供了弱一致性的保证。即，迭代器在创建时会获取一个快照，并在迭代过程中遍历该快照。这意味着迭代器不会反映出在迭代过程中对列表所做的修改。

CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的场景，特别是在需要保证线程安全性的情况下。它常用于事件监听器列表、缓存等场景，其中读取操作远远超过写入操作。

    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 添加元素
        list.add("Apple");
        list.add("Banana");
        list.add("Orange");

        // 遍历元素
        for (String element : list) {
            System.out.println(element);
        }

        // 修改元素
        list.set(1, "Grape");

        // 删除元素
        list.remove("Apple");

        // 遍历元素
        for (String element : list) {
            System.out.println(element);
        }
    }

CopyOnWriteArrayList是如何保证安全的

CopyOnWriteArrayList通过"写时复制"（Copy-On-Write）机制来保证线程安全性。具体来说，当有线程对CopyOnWriteArrayList进行修改操作时，它会创建一个新的副本，并在副本上进行修改操作。这样，其他线程仍然可以在原始列表上进行读取操作，不会受到修改操作的影响。一旦修改完成，新的副本会替换原始列表，以确保修改的一致性。

这种机制的实现步骤如下：

当有线程要对CopyOnWriteArrayList进行修改操作时，它首先会创建一个当前列表的副本。
在副本上进行修改操作，例如添加、删除元素等。
修改完成后，将新的副本替换原始列表，使得其他线程可以看到最新的修改。

通过这种方式，CopyOnWriteArrayList实现了线程安全性，因为每个线程都在自己的副本上进行修改操作，不会影响其他线程的读取操作。这样就避免了传统的同步机制（如锁）带来的竞争和阻塞。

需要注意的是，由于每次修改操作都会创建一个新的副本，CopyOnWriteArrayList在写入操作上的性能相对较低。因此，它更适合于读多写少的场景，特别是在需要保证线程安全性的情况下。

代码层次分析

我们可以从代码层面进行相关分析：

写操作的实现：CopyOnWriteArrayList的写操作（如添加、删除元素）是通过创建一个新的副本来实现的。在添加元素时，会创建一个新的数组，并将原始数组中的元素复制到新数组中，然后在新数组中添加新元素。删除元素时，也是创建一个新的数组，并将原始数组中的元素复制到新数组中，但是不包括要删除的元素。最后，将新数组替换原始数组。
读操作的实现：CopyOnWriteArrayList的读操作是在原始数组上进行的，不需要额外的同步措施。这是因为在写操作期间，读操作仍然可以访问原始数组，不会受到写操作的影响。这样可以保证读操作的线程安全性。
使用volatile关键字：CopyOnWriteArrayList内部使用了volatile关键字来保证多线程之间的可见性。当一个线程修改了列表时，它会将新的副本赋值给volatile修饰的数组引用，以便其他线程可以看到最新的修改。
迭代器的一致性：CopyOnWriteArrayList的迭代器提供了弱一致性的保证。即，迭代器在创建时会获取一个快照，并在迭代过程中遍历该快照。这意味着迭代器不会反映出在迭代过程中对列表所做的修改。

CopyOnWriteArrayList实现了线程安全性。每个线程在修改操作时都会在自己的副本上进行操作，不会影响其他线程的读取操作。这样就避免了传统的同步机制（如锁）带来的竞争和阻塞，提供了高效的线程安全的List实现。

案例说明

假设我们有一个任务列表，多个线程同时对任务列表进行读取和修改操作。我们使用CopyOnWriteArrayList来存储任务列表，并保证线程安全。


public class TaskList {
    private CopyOnWriteArrayList<String> tasks = new CopyOnWriteArrayList<>();

    public void addTask(String task) {
        tasks.add(task);
    }

    public void removeTask(String task) {
        tasks.remove(task);
    }

    public void printTasks() {
        for (String task : tasks) {
            System.out.println(task);
        }
    }
}

我们创建多个线程来对任务列表进行读取和修改操作：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        TaskList taskList = new TaskList();

        // 创建多个线程进行读取和修改操作
        Thread readerThread1 = new Thread(() -> {
            taskList.printTasks();
        });

        Thread readerThread2 = new Thread(() -> {
            taskList.printTasks();
        });

        Thread writerThread1 = new Thread(() -> {
            taskList.addTask("Task 1");
        });

        Thread writerThread2 = new Thread(() -> {
            taskList.removeTask("Task 1");
        });

        // 启动线程
        readerThread1.start();
        readerThread2.start();
        writerThread1.start();
        writerThread2.start();
    }
}