初識CopyOnWriteArrayList
第一次見到CopyOnWriteArrayList，是在研究JDBC的時候，每一個數據庫的Driver都是維護在一個CopyOnWriteArrayList中的，為了證明這一點，貼兩段代碼，第一段在com.mysql.jdbc.Driver下，也就是我們寫Class.forName(“…”)中的內容：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | public class Driver extends NonRegisteringDriver??implements java.sql.Driver{??public Driver()????throws SQLException??{??}??static??{????try????{??????DriverManager.registerDriver(new Driver());????} catch (SQLException E) {??????throw new RuntimeException("Can't register driver!");????}??}} |
看到com.mysql.jdbc.Driver調用了DriverManager的registerDriver方法，這個類在java.sql.DriverManager下：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | public class DriverManager{????private static final CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> ????registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList();????private static volatile int loginTimeout = 0;????private static volatile PrintWriter logWriter = null;????private static volatile PrintStream logStream = null;????private static final Object logSync = new Object();????static final SQLPermission SET_LOG_PERMISSION = new????SQLPermission("setLog");????...} |
看到所有的DriverInfo都在CopyOnWriteArrayList中。既然看到了CopyOnWriteArrayList，我自然免不了要研究一番為什么JDK使用的是這個List。
首先提兩點：
1、CopyOnWriteArrayList位于java.util.concurrent包下，可想而知，這個類是為并發而設計的
2、CopyOnWriteArrayList，顧名思義，Write的時候總是要Copy，也就是說對于CopyOnWriteArrayList，任何可變的操作（add、set、remove等等）都是伴隨復制這個動作的，后面會解讀CopyOnWriteArrayList的底層實現機制
四個關注點在CopyOnWriteArrayList上的答案
如何向CopyOnWriteArrayList中添加元素
對于CopyOnWriteArrayList來說，增加、刪除、修改、插入的原理都是一樣的，所以用增加元素來分析一下CopyOnWriteArrayList的底層實現機制就可以了。先看一段代碼：
| 1 2 3 4 5 6 | public static void main(String[] args){?????List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();?????list.add(1);?????list.add(2);} |
看一下這段代碼做了什么，先是第3行的實例化一個新的CopyOnWriteArrayList：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | public class CopyOnWriteArrayList<E>????implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {????private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;????/** The lock protecting all mutators */????transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();????/** The array, accessed only via getArray/setArray. */????private volatile transient Object[] array;????...} |
| 1 2 3 | public CopyOnWriteArrayList() {????setArray(new Object[0]);} |
| 1 2 3 | final void setArray(Object[] a) {????array = a;} |
看到，對于CopyOnWriteArrayList來說，底層就是一個Object[] array，然后實例化一個CopyOnWriteArrayList，用圖來表示非常簡單：
就是這樣，Object array指向一個數組大小為0的數組。接著看一下，第4行的add一個整數1做了什么，add的源代碼是：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | public boolean add(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {????Object[] elements = getArray();????int len = elements.length;????Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);????newElements[len] = e;????setArray(newElements);????return true;} finally {????lock.unlock();}} |
畫一張圖表示一下：
每一步都清楚地表示在圖上了，一次add大致經歷了幾個步驟：
1、加鎖
2、拿到原數組，得到新數組的大小（原數組大小+1），實例化出一個新的數組來
3、把原數組的元素復制到新數組中去
4、新數組最后一個位置設置為待添加的元素（因為新數組的大小是按照原數組大小+1來的）
5、把Object array引用指向新數組
6、解鎖
整個過程看起來比較像ArrayList的擴容。有了這個基礎，我們再來看一下第5行的add了一個整數2做了什么，這應該非常簡單了，還是畫一張圖來表示：
和前面差不多，就不解釋了。
另外，插入、刪除、修改操作也都是一樣，每一次的操作都是以對Object[] array進行一次復制為基礎的，如果上面的流程看懂了，那么研究插入、刪除、修改的源代碼應該不難。
普通List的缺陷
常用的List有ArrayList、LinkedList、Vector，其中前兩個是線程非安全的，最后一個是線程安全的。我有一種場景，兩個線程操作了同一個List，分別對同一個List進行迭代和刪除，就如同下面的代碼：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 | public static class T1 extends Thread{????private List<Integer> list;????public T1(List<Integer> list)????{????????this.list = list;????}????public void run()????{????????for (Integer i : list)????????{????????}????}}public static class T2 extends Thread{????private List<Integer> list;????public T2(List<Integer> list)????{????????this.list = list;????}????public void run()????{????????for (int i = 0; i < list.size(); i++)????????{????????????list.remove(i);????????}????}} |
首先我在這兩個線程中放入ArrayList并啟動這兩個線程：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | public static void main(String[] args){????List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();????for (int i = 0; i < 10000; i++)????{????????list.add(i);????}????T1 t1 = new T1(list);????T2 t2 = new T2(list);????t1.start();????t2.start();} |
運行結果為：
| 1 2 3 4 | Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException????at java.util.AbstractList$Itr.checkForComodification(AbstractList.java:372)????at java.util.AbstractList$Itr.next(AbstractList.java:343)????at com.xrq.test60.TestMain$T1.run(TestMain.java:19) |
把ArrayList換成LinkedList，main函數的代碼就不貼了，運行結果為：
| 1 2 3 4 | Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException????at java.util.LinkedList$ListItr.checkForComodification(LinkedList.java:761)????at java.util.LinkedList$ListItr.next(LinkedList.java:696)????at com.xrq.test60.TestMain$T1.run(TestMain.java:19) |
可能有人覺得，這兩個線程都是線程非安全的類，所以不行。其實這個問題和線程安不安全沒有關系，換成Vector看一下運行結果：
| 1 2 3 4 | Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException????at java.util.AbstractList$Itr.checkForComodification(AbstractList.java:372)????at java.util.AbstractList$Itr.next(AbstractList.java:343)????at com.xrq.test60.TestMain$T1.run(TestMain.java:19) |
Vector雖然是線程安全的，但是只是一種相對的線程安全而不是絕對的線程安全，它只能夠保證增、刪、改、查的單個操作一定是原子的，不會被打斷，但是如果組合起來用，并不能保證線程安全性。比如就像上面的線程1在遍歷一個Vector中的元素、線程2在刪除一個Vector中的元素一樣，勢必產生并發修改異常，也就是fail-fast。
CopyOnWriteArrayList的作用
把上面的代碼修改一下，用CopyOnWriteArrayList：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | public static void main(String[] args){????List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();????for (int i = 0; i < 10; i++)????{????????list.add(i);????}????T1 t1 = new T1(list);????T2 t2 = new T2(list);????t1.start();????t2.start();} |
可以運行一下這段代碼，是沒有任何問題的。
看到我把元素數量改小了一點，因為我們從上面的分析中應該可以看出，CopyOnWriteArrayList的缺點，就是修改代價十分昂貴，每次修改都伴隨著一次的數組復制；但同時優點也十分明顯，就是在并發下不會產生任何的線程安全問題，也就是絕對的線程安全，這也是為什么我們要使用CopyOnWriteArrayList的原因。
另外，有兩點必須講一下。我認為CopyOnWriteArrayList這個并發組件，其實反映的是兩個十分重要的分布式理念：
（1）讀寫分離
我們讀取CopyOnWriteArrayList的時候讀取的是CopyOnWriteArrayList中的Object[] array，但是修改的時候，操作的是一個新的Object[] array，讀和寫操作的不是同一個對象，這就是讀寫分離。這種技術數據庫用的非常多，在高并發下為了緩解數據庫的壓力，即使做了緩存也要對數據庫做讀寫分離，讀的時候使用讀庫，寫的時候使用寫庫，然后讀庫、寫庫之間進行一定的同步，這樣就避免同一個庫上讀、寫的IO操作太多
（2）最終一致
對CopyOnWriteArrayList來說，線程1讀取集合里面的數據，未必是最新的數據。因為線程2、線程3、線程4四個線程都修改了CopyOnWriteArrayList里面的數據，但是線程1拿到的還是最老的那個Object[] array，新添加進去的數據并沒有，所以線程1讀取的內容未必準確。不過這些數據雖然對于線程1是不一致的，但是對于之后的線程一定是一致的，它們拿到的Object[] array一定是三個線程都操作完畢之后的Object array[]，這就是最終一致。最終一致對于分布式系統也非常重要，它通過容忍一定時間的數據不一致，提升整個分布式系統的可用性與分區容錯性。當然，最終一致并不是任何場景都適用的，像火車站售票這種系統用戶對于數據的實時性要求非常非常高，就必須做成強一致性的。
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最后總結一點，隨著CopyOnWriteArrayList中元素的增加，CopyOnWriteArrayList的修改代價將越來越昂貴，因此，CopyOnWriteArrayList適用于讀操作遠多于修改操作的并發場景中。
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結尾貼上兩個我測試的Demo 示例：
測試一：
package com.zslin.list.demo;import java.util.ArrayList; import java.util.List;/*** * @author WQ<br>* @version 創建時間：2017年6月18日 下午4:15:54<br>*/ public class Resource3 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<String> a = new ArrayList<String>();a.add("a");a.add("b");a.add("c");final ArrayList<String> list = new ArrayList<String>(a);Thread t = new Thread(new Runnable() {int count = -1;@Overridepublic void run() {while (true) {list.add(count++ + "");}}});t.setDaemon(true);t.start();Thread.currentThread().sleep(3);for (String s : list) {System.out.println(s);}} }
運行結果：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationExceptionat java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)at com.zslin.list.demo.Resource3.main(Resource3.java:31)
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測試二：
package com.zslin.list.demo;import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;/*** * @author WQ<br>* @version 創建時間：2017年6月18日 下午4:17:48<br>*/ public class Resource4 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<String> a = new ArrayList<String>();a.add("a");a.add("b");a.add("c");final CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>(a);Thread t = new Thread(new Runnable() {int count = -1;@Overridepublic void run() {while (true) {list.add(count++ + "");}}});t.setDaemon(true);t.start();Thread.currentThread().sleep(3);for (String s : list) {System.out.println(list.hashCode());System.out.println(s);}} }
運行結果：
159947112 a 1157371761 b -478062346 c -998300255 -1 -1122793921 0 1172437517 1 1152826799 2 -1744105465。。。。。。。。。//省略部分運行結果
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