CopyOnWriteArrayList的底层源码学习

CopyOnWriteArrayList的底层源码学习

ArrayList是常用的Java数据结构，不过在多线程环境下对ArrayList进行并发修改会造成很多意想不到的错误：

并发导致数据丢失
并发导致插入null
并发导致数组越界

ArrayList和CopyOnWriteArrayList对比

ArrayList不是线程安全的类，在并发环境下需要使用线程安全的ArrayList进行修改操作，线程安全的ArrayList是CopyOnWriteArrayList,在CopyOnWriteArrayList中所有对数据进行修改的方法都是加了ReentranLock （可重入锁的），只有当前线程可以操作他，如果对数据不修改的话，不加锁就会很大程度提高他的效率。 ArrayList中有 capacity这个概念，而 CopyOnWriteArrayList中没有capacity。 ArrayLIst中有fail-fast过程

CopyOnWriteArrayList简介

在很多的应用场景中，读操作的可能会远远大于写操作。对于这些场景我们希望是读操作尽可能地快，而写操作慢一些也没有太大的关系。由于读操作根本不会修改原有的数据，因此对于每一次的读取都进行加锁是一种资源的浪费。根据读写锁的思想，读锁与读锁之间不冲突。但是读操作会受到写操作的阻碍，当写操作发生时，读就必须等待。否则可能读到不一致的数据。同时，如果读操作正在进行，程序也不能进行写入。
CopyOnWriteArrayList，从名字上看，在写入操作时，进行一次自我复制。也就是对原有的数据进行一次复制，将修改的内容写入副本中。写完之后，再将修改完的副本替换原来的数据。
CopyOnWriteArrayList的特点：

实现了List接口
内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
底层是用volatile transient声明的数组 array
读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array 

CopyOnWriteArrayList源码解析

//add方法
public boolean add(E e) {
        //获得锁
        final ReentrantLock lock = this.lock;
		//加锁
        lock.lock();
        try {
		    //先获得原来的数组
            Object[] elements = getArray();
			//把原来数组的长度赋值给len
            int len = elements.length;
			//构建一个新的数组，长度是原来数组的大小+1
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
			//将元素插到数据末尾
            newElements[len] = e;
			//将array引用指向新的数组
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
		释放锁
            lock.unlock();
        }
    }

//在指定位置插入新元素
public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //判断是否越界
        if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: " index  ", Size: " len);
        Object[] newElements;
        //计算插入位置与数组末尾下标的距离
        int numMoved = len - index;
        //若为0，则是添加到数组末尾
        if (numMoved == 0)
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len +  1);
        else {
            //不为0，则将原数组分开复制
            newElements = new Object[len +  1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index +  1, numMoved);
        }
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

//修改元素
public E set(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        E oldValue = get(elements, index);
        //判断原来的元素的值是否等于新值，相等则直接修改array的引用(这么做为了防止remove误删元素，见下面)，
        //不相等则复制一份到新数组中再进行修改
        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 {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

//获得某个位置的元素
 public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

remove方法
//删除元素
public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        //这里跟add方法很像,判断删除元素的下标与数组末尾下标的距离
        //如果为0，则是删除末尾元素，直接将前面的元素复制到新数组中
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0)
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            //若不为0，则创建一个比原来数组小1的新数组，再将要删除元素下标之外的所有元素全部复制到新数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index   1, newElements, index,
                             numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}
 
//通过元素删除元素
public boolean remove(Object o) {
    Object[] snapshot = getArray();
    //获取元素下标
    int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);
    return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
}

//CopyOnWriteArrayList 迭代器方法
	static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
        /** Snapshot of the array */
		//快照，记录当前时间节点容器状态
        private final Object[] snapshot;
        /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
		//游标
        private int cursor;
        构造方法传值
        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        }
		
		//在CopyOnWriteArrayList迭代器中，remove，set，add方法都是不支持的
		  public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
        public void set(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        
        public void add(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
	

总结

从以上的增删改查中我们可以发现，增删改都需要获得锁，并且锁只有一把，而读操作不需要获得锁，支持并发。为什么增删改中都需要创建一个新的数组，操作完成之后再赋给原来的引用？这是为了保证get的时候都能获取到元素，如果在增删改过程直接修改原来的数组，可能会造成执行读操作获取不到数据。

CopyOnWriteArrayList缺点

最大的缺点就是在进行增删改操作时会让CopyOnWriteArrayList占用内存翻倍，如果是对有大量元素的CopyOnWriteArrayList进行增删改，空间消耗是不容忽视的。
CopyOnWriteArrayList还有一个缺点是数据不具有实时性，即对CopyOnWriteArrayList进行增删改操作，与此同时有其他线程来访问CopyOnWriteArrayList中的元素，因为增删改操作未完成，所以读取元素的线程看不到新数据。如果强调数据的实时性，那么CopyOnWriteArrayList并不是一个好的选择。 

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来源： https://blog.csdn.net/weixin_48886235/article/details/110143088