JAVA并发集合

从Java5开始，Java在java.util.concurrent包下提供了大量支持高效并发访问的集合类，它们既能包装良好的访问性能，有能包装线程安全。这些集合类可以分为两部分，它们的特征如下：

• 以Concurrent开头的集合类：
  以Concurrent开头的集合类代表了支持并发访问的集合，它们可以支持多个线程并发写入访问，
  这些写入线程的所有操作都是线程安全的，但读取操作不必锁定。以Concurrent开头的集合类采
  用了更复杂的算法来保证永远不会锁住整个集合，因此在并发写入时有较好的性能。
• 以CopyOnWrite开头的集合类：
  以CopyOnWrite开头的集合类采用复制底层数组的方式来实现写操作。当线程对此类集合执行读
  取操作时，线程将会直接读取集合本身，无须加锁与阻塞。当线程对此类集合执行写入操作时，集
  合会在底层复制一份新的数组，接下来对新的数组执行写入操作。由于对集合的写入操作都是对数
  组的副本执行操作，因此它是线程安全的。
• 扩展阅读
  java.util.concurrent包下线程安全的集合类的体系结构：
  

本文将主要讲解以CopyOnWrite开头的集合类：

1_实现原理

在Java中，CopyOnWrite系列的集合（如CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet）是线程安全的集合类，适用于读操作频繁且写操作相对较少的场景。它们通过一种名为 “写时复制”（Copy-On-Write，简称COW）的策略来实现线程安全。

2_什么是CopyOnWrite?

概括为"写时复制"，通俗的讲是写数据的时候弄出一个新的数组，然后讲旧的数据拷贝过去，更新后再将引用指向新数组。这样在添加删除元素时就不会影响旧数组的读取了，确保高并发时读的效率，但是存在延时。

下面以CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet为例对CopyOnWrite系列的集合进一步讲解。

3_CopyOnWriteArrayList的原理

CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的可变数组实现，内部通过复制底层数组来处理并发写操作。其主要特性是：

• 读操作不需要锁：因为读操作不会修改数组，因此可以并发进行。
• 写操作通过复制实现：每次写操作（如添加、删除、更新）都会创建底层数组的一个新副本，修改副本后再将其设置为新的底层数组。

内部实现机制:

以下是CopyOnWriteArrayList的核心实现机制：

• 底层数据结构
  CopyOnWriteArrayList内部使用一个volatile修饰的数组来存储元素，确保多线程环境下对数组的可见性。

  private transient volatile Object[] array;
  

• 读操作

  读操作直接访问底层数组，无需加锁。

  public E get(int index) {
  	return get(array, index);
  }
  
  final Object[] getArray() {
  	return array;
  }
  
  private E get(Object[] a, int index) {
  	return (E) a[index];
  }
  

• 写操作

  写操作在进行修改时，会首先复制底层数组，然后在新数组上进行修改，最后将新数组设置为底层数组。

  public boolean add(E e) {
  	final ReentrantLock lock = this.lock;
  	lock.lock();
  	try {
      	Object[] elements = getArray();       // 获取当前数组
      	int len = elements.length;            // 获取当前数组的长度
      	Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 复制数组，并增加一个位置
      	newElements[len] = e;                 // 将新元素添加到新数组的最后一个位置
      	setArray(newElements);                // 用新数组替换旧数组
      	return true;
  	} finally {
      	lock.unlock();                        // 释放锁
  	}
  }
  
  
  final void setArray(Object[] a) {
  	array = a;
  }
  

在这个示例中，add方法首先获取锁以确保写操作的线程安全。然后，它复制现有的数组，增加一个新元素，并将新数组设置为底层数组。

添加操作会复制新的数组并将原元素长度加一，那么移除一个元素呢？

• 移除操作：

  public boolean remove(Object o) {
  	final ReentrantLock lock = this.lock;
  	lock.lock();
  	try {
      	Object[] elements = getArray();
      	int len = elements.length;
  
      	// 寻找要移除的元素的位置
      	int i = 0;
      	for (; i < len; i++) {
          	if (o.equals(elements[i])) {
              	break;
          	}
      	}
  
      	// 如果没有找到元素，直接返回false
      	if (i == len) {
          	return false;
      	}
  
      	// 创建新数组，长度比当前数组少一个
      	Object[] newElements = new Object[len - 1];
      
      	// 复制前面的元素
      	System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, i);
      
      	// 复制后面的元素
      	System.arraycopy(elements, i + 1, newElements, i, len - i - 1);
      
      	// 设置新数组
      	setArray(newElements);
      	return true;
  	} finally {
      	lock.unlock();
  	}
  }
  
  

在CopyOnWriteArrayList中，移除元素的操作也是通过复制数组并在新数组上进行操作来实现的。虽然每次移除操作都会创建一个新数组，存在一定的性能开销，但这种设计能够确保线程安全，适合读多写少的场景。

既然remove、add已经了解了，那么 set 也就不难猜测了，public E set(int index, E element)操作时也是拷贝原数组然后进行操作，只不过长度相对原数组既没有增加也没有减少。

4_CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet是基于CopyOnWriteArrayList实现的线程安全的集合。它利用CopyOnWriteArrayList来存储元素，并确保集合中的元素不重复。

5_使用场景

CopyOnWrite集合适用于以下场景：

1. 读多写少：由于每次写操作都会复制整个数组，因此写操作的开销较大。适用于读操作频繁、写操作较少的场景。
2. 遍历操作：在遍历过程中，不会受到并发修改的影响，因为任何写操作都会创建一个新的数组副本，不会修改正在遍历的数组。

优缺点

优点

• 线程安全：通过写时复制机制实现线程安全，读操作无锁，性能高。
• 适用于读多写少的场景：在读操作远多于写操作的情况下，性能表现优秀。
• 不需要手动同步：用户无需手动添加同步代码，简化了并发编程。

缺点

• 内存开销大：每次写操作都会创建数组副本，占用额外的内存。
• 写操作性能差：写操作需要复制数组，性能较低。

示例代码

以下是CopyOnWriteArrayList的简单示例代码：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

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

        // 添加元素
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);

        // 读取元素
        System.out.println("Element at index 0: " + list.get(0));

        // 遍历元素
        for (Integer element : list) {
            System.out.println("Element: " + element);
        }

        // 删除元素
        list.remove(Integer.valueOf(2));
        System.out.println("After removal: " + list);
    }
}

6_总结

CopyOnWrite系列集合通过写时复制机制实现线程安全，适用于读操作频繁且写操作较少的场景。虽然写操作的开销较大，但在读操作占多数的应用中，CopyOnWrite集合可以提供高效且线程安全的性能。

在CopyOnWriteArrayList中，移除元素的操作与添加元素类似，通过复制数组并在新数组上进行操作来实现线程安全。移除元素时，需要创建一个新的数组，长度比当前数组少一个，然后复制所有不需要移除的元素到新数组中。