5分钟从0到1探秘CopyOnWriteArrayList(满满干货~)

简介: 5分钟从0到1探秘CopyOnWriteArrayList(满满干货~)

前言

最近的文章都是围绕并发编程写的,这段时间会写一些并发包下的并发容器,一篇篇文章去解析,彻底搞懂并发包中的并发容器

在探秘CopyOnWriteArrayList前,我们先来聊聊并发场景下为什么不能使用ArrayList

并发场景下的ArrayList

ArrayList数组,支持动态扩容、随机访问...

作为平时工作中最常用到的集合类,相信我们已经很熟悉它,但这种集合在并发场景下是不安全的

当发生并发读写时,JDK提供快速失败fail-fast机制,让其抛出ConcurrentModificationException并发修改异常

比如来看这一段代码:启动十个线程向集合中添加元素再读取,会抛出并发修改异常

     public void testCopyOnWriteArrayList() throws InterruptedException {
         List<String> list =  new ArrayList();
 ​
         for (int i = 0; i < 10; i++) {
             new Thread(()-> {
                 list.add(UUID.randomUUID().toString().substring(0,5));
                 System.out.println(list);
             },String.valueOf(i)).start();
         }
 ​
         TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
     }

向控制台打印时,实际是调用集合的toString方法

其父类AbstractCollection重写toString方法:使用迭代器遍历数组,并用字符串拼接

     public String toString() {
         Iterator<E> it = iterator();
         if (! it.hasNext())
             return "[]";
 ​
         StringBuilder sb = new StringBuilder();
         sb.append('[');
         for (;;) {
             E e = it.next();
             sb.append(e == this ? "(this Collection)" : e);
             if (! it.hasNext())
                 return sb.append(']').toString();
             sb.append(',').append(' ');
         }
     }

那快速失败是如何实现的呢?

在集合进行写操作,比如添加、删除、修改时,会对内部字段modCount进行自增,用来表示修改次数

当获取迭代器时,会将modCount赋值给迭代器内部的expectedModCount字段

当遍历迭代器时,会检查这两个字段是否相同,不同说明其他线程进行写操作,于是抛出并发修改异常,以此来达到快速失败

         final void checkForComodification() {
             if (modCount != expectedModCount)
                 throw new ConcurrentModificationException();
         }

并发场景下的解决方案

说了那么多,ArrayList在并发场景下不可用,那么有什么解决方案呢?

在远古版本在并发场景下使用VectorCollections.synchronizedList(new ArrayList<>())

它们的读写操作都是由synchronized加锁保证原子性

有的同学会说:是因为synchronized的性能太差才导致不使用它们的

synchronized经过锁升级优化后,性能还差吗?如果对其感兴趣的同学可以查看15000字、6个代码案例、5个原理图让你彻底搞懂Synchronized

其实我更认为是它们锁的粒度太大,在并发场景中,读操作也一定要通过加锁来进行访问吗?

熟悉volatile的同学一定知道,是不需要的

并发读写中,需要解决的问题是线程对集合进行修改,如何让其他线程读时可见,也就是如何保证可见性?

使用volatile保证其可见性,在读场景下是不需要加锁的

如果对此不理解的同学,可以查看5个案例和流程图让你从0到1搞懂volatile关键字

铺垫了这么久,接下来让我们来看看本篇文章的主角CopyOnWriteArrayList

CopyOnWrite

CopyOnWriteArrayList 从名称上来看带着CopyOnWrite 翻译过来就是 写时拷贝

写时拷贝COW 是一种什么思想呢?

COW是在进行写操作时,将原数据拷贝一份进行写操作,写完再将其设置回去

这种思想在并发的场景非常常见,比如Redis持久化RDB、AOF文件就用到了COW;MySQL实现的MVCC版本链

CopyOnWriteArrayList

接下来我们从源码上看看它是如何实现的

在构造时,初始化了一个长度为0的数组

虽然很奇怪,但想到COW,写时会拷贝一份数据写完再设置回去,一下就正常了

     final void setArray(Object[] a) {
         array = a;
     }
 ​
     public CopyOnWriteArrayList() {
         setArray(new Object[0]);
     }

再来看看get读操作

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

读操作就是非常普通的读取某个下标的数据

既然没有使用加锁,那么存储数据的字段一定会使用volatile

 private transient volatile Object[] array;

这种volatile保证可见性,让读操作在并发场景下不用加锁的思想也非常常见,比如AQS的volatile保证同步状态可见性

接着来看看写操作-添加

 public boolean add(E e) {
     final ReentrantLock lock = this.lock;
     //加锁
     lock.lock();
     try {
         //获得原数组
         Object[] elements = getArray();
         int len = elements.length;
         //将原数组中数据复制到新数组
         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
         //添加新数据
         newElements[len] = e;
         //将新数组重新设置回去
         setArray(newElements);
         return true;
     } finally {
         //解锁
         lock.unlock();
     }
 }

写操作时加锁,保证并发写时只有一个线程能够进行写操作,从而保证线程安全

虽然复制时会使用性能较好的System.arrayCopy进行复制,但写操作太多也会导致性能开销太大

     public static <T,U> T[] copyOf(U[] original, int newLength, Class<? extends T[]> newType) {
         @SuppressWarnings("unchecked")
         //创建新数组
         T[] copy = ((Object)newType == (Object)Object[].class)
             ? (T[]) new Object[newLength]
             : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
         //从旧数组复制旧数据到新数组
         System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                          Math.min(original.length, newLength));
         return copy;
     }

在获取迭代器时,会用原数据去新创建一个对象,后续在这个对象上迭代

因此就不会出现线程不安全的并发修改问题,这是并发包中提供的安全失败fail-safe机制

     public Iterator<E> iterator() {
         return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
     }

使用场景

经过我们的分析,我们可以知道CopyOnWriteArrayList的特点,从而来分析适用于它的使用场景

使用volatile保证内存可见性,读操作不需要加锁,因此性能非常好,在搭配上数组的随机访问,它非常适合读取场景

在进行写操作时,使用JUC下的ReentrantLock加锁解锁保证原子性,并且写时要进行数据拷贝,因此它并不适合频繁写操作的场景,因为拷贝数据有开销

当它的数据量越来越大时,进行写操作拷贝的数据也会越来越多,因此它不适合存放大量数据情况下再进行写操作

它提供安全失败,在使用迭代器时迭代的不一定是实时最新数据,但不会发生并发修改异常

总结

ArrayList提供fail-fast快速失败机制,在并发读写场景下通过此机制来抛出并发修改异常以达到快速失败,在并发场景下不安全

并发场景下的解决方案有多种,但CopyOnWriteArrayList相对于VectorCollections.synchronizedList(new ArrayList<>())来说,加锁粒度更低,性能较好

CopyOnWriteArrayList用volatile修饰数组保证其可见性,在读场景下无需加锁

在写场景下使用ReentrantLock保证写操作原子性,写的同时会先拷贝一份原数据,修改完再设置成新数据

在获取迭代器时,也是通过原数据去创建一个新对象进行迭代,这样能保证虽然数据可能不是最新的,但不会出现异常

CopyOnWriteArrayList适合数据量不大、读多写少、迭代时能接受弱一致性的场景

不要在数据量特别大,写操作特别多的场景使用,这样写时拷贝的开销可能会非常大

最后(不要白嫖,一键三连求求拉~)

本篇文章被收入专栏 由点到线,由线到面,深入浅出构建Java并发编程知识体系,感兴趣的同学可以持续关注喔

本篇文章笔记以及案例被收入 gitee-StudyJavagithub-StudyJava 感兴趣的同学可以stat下持续关注喔~

案例地址:

Gitee-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/F_Collections

Github-JavaConcurrentProgramming/src/main/java/F_Collections

有什么问题可以在评论区交流,如果觉得菜菜写的不错,可以点赞、关注、收藏支持一下~

关注菜菜,分享更多干货,公众号:菜菜的后端私房菜

相关文章
|
4月前
|
安全
CopyOnWriteArrayList技术探究
CopyOnWriteArrayList 是java.util.concurrent的并发类,线程安全,遵循写时复制的原则(CopyOnWrite)。通过“写入时复制”(Copy-On-Write, COW)的策略来保证集合的线程安全,适用于读多写少的并发场景。
|
5月前
|
安全 Java 容器
【Java集合类面试二十七】、谈谈CopyOnWriteArrayList的原理
CopyOnWriteArrayList是一种线程安全的ArrayList,通过在写操作时复制新数组来保证线程安全,适用于读多写少的场景,但可能因内存占用和无法保证实时性而有性能问题。
|
5月前
|
安全 Java 容器
CopyOnWriteArrayList原理
文章主要讨论了CopyOnWriteArrayList的工作原理。CopyOnWriteArrayList通过“写时复制”的策略和ReentrantLock锁来保证线程安全性,适用于读多写少的场景;该实现牺牲了一定的写入性能(因为每次写入都需要复制整个数组),但显著提高了读取性能;在多线程环境中,特别是读取操作远多于写入操作时,CopyOnWriteArrayList是一个非常有效的选择。
|
8月前
|
存储 算法 Java
12张图一次性搞懂高性能并发容器ConcurrentLinkedQueue
12张图一次性搞懂高性能并发容器ConcurrentLinkedQueue
|
8月前
|
存储 安全 Java
Java并发基础:CopyOnWriteArrayList全面解析
CopyOnWriteArrayList类的最大优点在于读取时无需加锁,非常适合读多写少的并发场景,由于其写操作通过复制底层数据来实现,从而保证了读取数据的一致性和高效性,此外,它简单易用,是快速实现线程安全列表的不错选择,CopyOnWriteArrayList在读操作占主导的场景下,能够提供出色的性能和稳定性。
157 1
Java并发基础:CopyOnWriteArrayList全面解析
|
8月前
|
存储 安全 算法
java多线程之并发容器集合
java多线程之并发容器集合
|
安全 Java 索引
JUC第十六讲:JUC集合: CopyOnWriteArrayList详解
JUC第十六讲:JUC集合: CopyOnWriteArrayList详解
|
安全 Java 容器
高并发下你还敢用ArrayList?过来看看CopyOnWriteArrayList吧!
高并发下你还敢用ArrayList?过来看看CopyOnWriteArrayList吧!
139 1
高并发下你还敢用ArrayList?过来看看CopyOnWriteArrayList吧!
JUC学习(六):HashMap和HashSet的线程不安全问题分析和解决方案(写时复制技术、ConcurrentHashMap)
JUC学习(六):HashMap和HashSet的线程不安全问题分析和解决方案(写时复制技术、ConcurrentHashMap)
111 0
JUC学习(六):HashMap和HashSet的线程不安全问题分析和解决方案(写时复制技术、ConcurrentHashMap)
J3
|
存储 安全
没人看系列,CopyOnWriteArrayList 源码分析
List 接口下的一个实现类,和 ArrayList 很相似,但也不那么的相似。 多线程环境下常常需要一个线程安全的集合类来实现数据的存储,大家耳熟能详的肯定是 Vector 、Collections.synchronizedXXX 、ConcurrentHashMap 等。
J3
114 0
没人看系列,CopyOnWriteArrayList 源码分析