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面試官：詳細說說CopyOnWriteArrayList

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CopyOnWriteArrayList 詳解

CopyOnWriteArrayList 是 Java 并發包（java.util.concurrent）中提供的線程安全列表，基于“寫時復制”（Copy-On-Write）機制實現。它適用于讀多寫少的高并發場景，如事件監聽器列表、配置管理等。

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核心特性

特性	說明
線程安全	讀操作無鎖，寫操作通過鎖保證線程安全。
數據一致性	讀操作基于快照，迭代期間不會拋出 ConcurrentModificationException。
寫開銷	每次修改操作會復制底層數組，內存占用較高。
適用場景	讀操作頻繁，寫操作極少（如監聽器管理、配置存儲）。

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底層實現

1. 數據結構

   • 基于動態數組（volatile Object[] array）存儲數據。
   • 所有讀操作直接訪問當前數組，無需同步。

2. 寫時復制（COW）

   • 修改操作流程：
     1. 加鎖（ReentrantLock）。
     2. 復制原數組，生成新數組。
     3. 在新數組上執行修改操作。
     4. 將底層數組引用指向新數組（setArray(newArray)）。
     5. 釋放鎖。
   • 代碼示例（add 方法）：

     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();}
     }
     

3. 迭代器

   • 基于迭代器創建時的數組快照遍歷數據。
   • 不支持修改操作（如 remove、set），調用會拋出 UnsupportedOperationException。
   • 代碼示例：

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

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優點與缺點

優點	缺點
讀操作無鎖，性能極高。	寫操作內存開銷大（復制全量數據）。
避免并發修改異常（ConcurrentModificationException）。	數據弱一致性（讀操作可能不反映最新狀態）。
實現簡單，適合讀多寫少場景。	寫操作頻繁時性能急劇下降。

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適用場景

1. 監聽器列表：
   如 GUI 事件監聽器，注冊后極少修改，但頻繁觸發事件（讀）。

   // 添加監聽器（寫操作少）
   listeners.add(new Listener());// 觸發事件（讀操作多）
   for (Listener listener : listeners) {listener.onEvent();
   }
   

2. 配置管理：
   系統配置通常加載后很少修改，但頻繁讀取。

   CopyOnWriteArrayList<Config> configs = loadConfigs();
   // 讀取配置（無鎖）
   String value = configs.get(0).getProperty("key");
   

3. 緩存快照：
   需要緩存某個時間點的數據快照供查詢。

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性能對比

操作	ArrayList	CopyOnWriteArrayList	Collections.synchronizedList
讀（單線程）	O(1)（最快）	O(1)（無鎖，快）	O(1)（同步開銷，較慢）
讀（高并發）	非線程安全，需外部同步	O(1)（無鎖，最快）	O(1)（同步開銷，慢）
寫（單線程）	O(1)（快）	O(n)（復制數組，慢）	O(1)（同步開銷，較慢）
寫（高并發）	非線程安全	O(n)（鎖競爭，最慢）	O(1)（同步開銷，慢）

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注意事項

1. 避免頻繁寫操作：
   批量寫入時，優先使用 addAll 代替多次 add，減少數組復制次數。

   // 不推薦
   for (String item : items) {list.add(item);
   }// 推薦
   list.addAll(items);
   

2. 迭代器弱一致性：
   迭代器遍歷的是創建時的快照，可能無法感知后續修改。

   CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
   Iterator<Integer> it = list.iterator();
   list.add(4);
   while (it.hasNext()) {System.out.print(it.next()); // 輸出 1,2,3（不包含4）
   }
   

3. 內存監控：
   大對象或超大數組可能導致內存壓力，需監控堆內存使用。

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🐮🐎

• 使用場景：讀多寫少，允許數據弱一致性。
• 替代方案：
  • 寫多讀少：考慮 ConcurrentLinkedQueue 或 ConcurrentHashMap。
  • 強一致性需求：使用鎖或 synchronizedList。
• 最佳實踐：結合業務特點選擇數據結構，必要時進行性能壓測。