Java Review - 并发编程_并发List_CopyOnWriteArrayList源码剖析

简介: Java Review - 并发编程_并发List_CopyOnWriteArrayList源码剖析

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概述


并发包中的并发List只有CopyOnWriteArrayList。CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的ArrayList,对其进行的修改操作都是在底层的一个复制的数组(快照)上进行的,也就是使用了写时复制策略。

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在CopyOnWriteArrayList的类中,每个CopyOnWriteArrayList对象里面有一个array数组对象用来存放具体元素,ReentrantLock独占锁对象用来保证同时只有一个线程对array进行修改。


我们思考几个问题


何时初始化list,初始化的list元素个数为多少,list是有限大小吗?


如何保证线程安全,比如多个线程进行读写时如何保证是线程安全的?


如何保证使用迭代器遍历list时的数据一致性?


源码解析

初始化

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首先看下无参构造函数,如下代码在内部创建了一个大小为0的Object数组作为array的初始值。

    /**
     * Creates an empty list.
     */
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }


然后看下有参构造函数。

    /**
     * Creates a list containing the elements of the specified
     * collection, in the order they are returned by the collection's
     * iterator.
     *
     * @param c the collection of initially held elements
     * @throws NullPointerException if the specified collection is null
     */
  // 入参为集合,将集合中的元素复制到本List
    public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
        Object[] elements;
        if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
            elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
        else {
            elements = c.toArray();
            if (c.getClass() != ArrayList.class)
                elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
        }
        setArray(elements);
    }
    /**
     * Creates a list holding a copy of the given array.
     *
     * @param toCopyIn the array (a copy of this array is used as the
     *        internal array)
     * @throws NullPointerException if the specified array is null
     */
   // 创建一个List , 其内部元素是toCopyIn的副本
    public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
        setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
    }


添加元素

0f06fb82ebfb40c6943ca1c68ba877db.png


用来添加元素的函数有 add(E e)、add(int index, E element)、addIfAbsent(E e)和addAllAbsent(Collection<? extends E> c)等 原理类似, 以add(E e)为例

    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
      // 1 获取独占锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // 2 获取array
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 3 复制array到新数组,添加元素到新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
      // 4 使用新数组代替添加前的数组 
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
           //  5 释放独占锁 
            lock.unlock();
        }
    }


首先执行代码(1)去获取独占锁,如果多个线程都调用add方法则只有一个线程会获取到该锁,其他线程会被阻塞挂起直到锁被释放。 所以一个线程获取到锁后,就保证了在该线程添加元素的过程中其他线程不会对array进行修改

线程获取锁后执行代码(2)获取array

执行代码(3)复制array到一个新数组(从这里可以知道新数组的大小是原来数组大小增加1,所以CopyOnWriteArrayList是无界list),并把新增的元素添加到新数组

执行代码(4)使用新数组替换原数组

执行代码(5)返回前释放锁。


由于加了锁,所以整个add过程是个原子性操作。需要注意的是,在添加元素时,首先复制了一个快照,然后在快照上进行添加,而不是直接在原来数组上进行。


获取指定位置元素


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使用E get(int index) 获取下标为index的元素,如果元素不存在则抛出IndexOutOfBoundsException异常。

 @SuppressWarnings("unchecked")
    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }
    /**
     * {@inheritDoc}
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }


在如上代码中,当线程x调用get方法获取指定位置的元素时,分两步走,首先获取array数组(这里命名为步骤A),然后通过下标访问指定位置的元素(这里命名为步骤B),这是两步操作,但是在整个过程中并没有进行加锁同步。


6553dc48e8df461c94842b1f2cb2641d.png


由于执行步骤A和步骤B没有加锁,这就可能导致在线程x执行完步骤A后执行步骤B前,另外一个线程y进行了remove操作,假设要删除元素1。


remove操作首先会获取独占锁,然后进行写时复制操作,也就是复制一份当前array数组,然后在复制的数组里面删除线程x通过get方法要访问的元素1,之后让array指向复制的数组。


而这时候array之前指向的数组的引用计数为1而不是0,因为线程x还在使用它,这时线程x开始执行步骤B,步骤B操作的数组是线程y删除元素之前的数组,如下图所示。


e73ca29ddd144c18867ca943ce652491.png


所以,虽然线程y已经删除了index处的元素,但是线程x的步骤B还是会返回index处的元素,这其实就是写时复制策略产生的弱一致性问题。


修改指定元素


使用E set(int index,E element)修改list中指定元素的值,如果指定位置的元素不存在则抛出IndexOutOfBoundsException异常


    /**
     * Replaces the element at the specified position in this list with the
     * specified element.
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E set(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            E oldValue = get(elements, index);
            if (oldValue != element) {
                int len = elements.length;
                Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
                newElements[index] = element;
                setArray(newElements);
            } else {
                // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
                setArray(elements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }



首先获取了独占锁,从而阻止其他线程对array数组进行修改,然后获取当前数组,并调用get方法获取指定位置的元素,如果指定位置的元素值与新值不一致则创建新数组并复制元素,然后在新数组上修改指定位置的元素值并设置新数组到array。


如果指定位置的元素值与新值一样,则为了保证volatile语义,还是需要重新设置array,虽然array的内容并没有改变。


删除元素


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删除list里面指定的元素,可以使用 E remove(int index) 、 boolean remove(Object o)和boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) 等方法,它们的原理一样。


    /**
     * Removes the element at the specified position in this list.
     * Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
     * indices).  Returns the element that was removed from the list.
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E remove(int index) {
    // 获取独占锁 
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // 获取数组
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
      // 获取指定元素 
            E oldValue = get(elements, index);
            int numMoved = len - index - 1;
      // 如果要删除的是之后一个元素 
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                Object[] newElements = new Object[len - 1];
        // 分两次复制删除后剩余的元素到新数组 
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                 numMoved);
                // 使用新数组代替旧数组 
                setArray(newElements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
          // 解锁 释放独占锁 
            lock.unlock();
        }
    }


其实和新增元素的代码类似,首先获取独占锁以保证删除数据期间其他线程不能对array进行修改,然后获取数组中要被删除的元素,并把剩余的元素复制到新数组,之后使用新数组替换原来的数组,最后在返回前释放锁。


弱一致性的迭代器


遍历列表元素可以使用迭代器。在讲解什么是迭代器的弱一致性前,先举一个例子来说明如何使用迭代器。

import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @description: TODO
 * @date 2021/12/1 21:07
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class COWArrayListTest {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
        copyOnWriteArrayList.add("hello");
        copyOnWriteArrayList.add("artisan");
        copyOnWriteArrayList.add("learn");
        copyOnWriteArrayList.add("ml");
        Iterator iterator = copyOnWriteArrayList.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}


6c99f58b9d804fe6975864e9f1f9dc42.png


迭代器的hasNext方法用于判断列表中是否还有元素,next方法则具体返回元素。


下面来看CopyOnWriteArrayList中迭代器的弱一致性是怎么回事,所谓弱一致性是指返回迭代器后,其他线程对list的增删改对迭代器是不可见的.


下面看个例子

import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @description: TODO
 * @date 2021/12/1 21:17
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class COWArrayListTest2 {
    private static volatile CopyOnWriteArrayList cow = new CopyOnWriteArrayList<>();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        cow.add("hello");
        cow.add("artisan");
        cow.add("learn");
        cow.add("ml");
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println("异步线程开始操作COW~");
            // 异步线程修改  删除
            cow.set(0, "xxxx");
            cow.remove(1);
            cow.remove(2);
            Iterator iterator = cow.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                System.out.println(iterator.next());
            }
            System.out.println("异步线程结束操作COW~");
        });
        // 一定要在异步线程启动前获取到 迭代器
        Iterator iterator = cow.iterator();
        // 启动线程
        thread.start();
        // 等待子线程结束
        thread.join();
        // 遍历
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

3d0aeb8f88c348b7bb4e147cd43dc622.png

在如上代码中,main函数首先初始化了cow,然后在启动线程前获取到了cow迭代器。子线程thread启动后首先修改了cow的第1个元素的值,然后删除了cow中下标为1和2的元素。


主线程在子线程执行完毕后使用获取的迭代器遍历数组元素,从输出结果我们知道,在子线程里面进行的操作一个都没有生效,这就是迭代器弱一致性的体现。需要注意的是,获取迭代器的操作必须在子线程操作之前进行。


CopyOnWriteArrayList 是如何实现弱一致性的

   /**
     * Returns an iterator over the elements in this list in proper sequence.
     *
     * <p>The returned iterator provides a snapshot of the state of the list
     * when the iterator was constructed. No synchronization is needed while
     * traversing the iterator. The iterator does <em>NOT</em> support the
     * {@code remove} method.
     *
     * @return an iterator over the elements in this list in proper sequence
     */
    public Iterator<E> iterator() {
        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
    }


  static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
        /** Snapshot of the array */
    // array的快照版本
        private final Object[] snapshot;
        /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
        // 数组下标
        private int cursor;
    // 构造函数
        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        }
    // 是否遍历结束
        public boolean hasNext() {
            return cursor < snapshot.length;
        }
    // 获取元素
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            if (! hasNext())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[cursor++];
        }
      ................
      .................
      ................
    }

在如上代码中,当调用iterator()方法获取迭代器时实际上会返回一个COWIterator对象,COWIterator对象的snapshot变量保存了当前list的内容,cursor是遍历list时数据的下标。


为什么说snapshot是list的快照呢?明明是指针传递的引用啊,而不是副本。如果在该线程使用返回的迭代器遍历元素的过程中,其他线程没有对list进行增删改,那么snapshot本身就是list的array,因为它们是引用关系。但是如果在遍历期间其他线程对该list进行了增删改,那么snapshot就是快照了,因为增删改后list里面的数组被新数组替换了,这时候老数组被snapshot引用。这也说明获取迭代器后,使用该迭代器元素时,其他线程对该list进行的增删改不可见,因为它们操作的是两个不同的数组,这就是弱一致性。


小结


CopyOnWriteArrayList使用写时复制的策略来保证list的一致性,而获取—修改—写入三步操作并不是原子性的,所以在增删改的过程中都使用了独占锁,来保证在某个时间只有一个线程能对list数组进行修改。


另外CopyOnWriteArrayList提供了弱一致性的迭代器,从而保证在获取迭代器后,其他线程对list的修改是不可见的,迭代器遍历的数组是一个快照。


另外,CopyOnWriteArraySet的底层就是使用CopyOnWriteArrayList实现的 。

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