CopyOnWriteArrayList 是如何保证线程安全的？
作者：互联网
1. 回顾 ArrayList
ArrayList 是基于数组实现的动态数据，是线程不安全的。例如，我们在遍历 ArrayList 的时候，如果其他线程并发修改数组（当然也不一定是被其他线程修改），在迭代器中就会触发 fail-fast 机制，抛出 ConcurrentModificationException 异常。
示例程序
List<String> list = new ArrayList();
list.add("xiao");
list.add("peng");
list.add(".");
Iterator iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
// 可能抛出 ConcurrentModificationException 异常
iterator.next();
}
要实现线程安全有 3 种方式：
- 方法 1 - 使用 Vector 容器： Vector 是线程安全版本的数组容器，它会在所有方法上增加 synchronized 关键字（过时，了解即可）；
- 方法 2 - 使用 Collections.synchronizedList 包装类
- 方法 3 - 使用 CopyOnWriteArrayList 容器
Collections.synchronizedList 包装类的原理很简单，就是使用 synchronized 加锁，源码摘要如下：
Collections.java
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new SynchronizedList<>(list));
}
// 使用 synchronized 实现线程安全
static class SynchronizedList<E> extends SynchronizedCollection<E> implements List<E> {
final List<E> list;
public boolean equals(Object o) {
if (this == o) return true;
synchronized (mutex) {return list.equals(o);}
}
public int hashCode() {
synchronized (mutex) {return list.hashCode();}
}
public E get(int index) {
synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}
public E set(int index, E element) {
synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
}
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}
...
}
如果我们将 ArrayList 替换为 CopyOnWriteArrayList，即使其他线程并发修改数组，也不会抛出 ConcurrentModificationException 异常，这是为什么呢？
2. CopyOnWriteArrayList 的特点
CopyOnWriteArrayList 和 ArrayList 都是基于数组的动态数组，封装了操作数组时的搬运和扩容等逻辑。除此之外，CopyOnWriteArrayList 还是用了基于加锁的 “读写分离” 和 “写时复制” 的方案解决线程安全问题：
- 思想 1 - 读写分离（Read/Write Splitting）： 将对资源的读取和写入操作分离，使得读取和写入没有依赖，在 “读多写少” 的场景中能有效减少资源竞争；
- 思想 2 - 写时复制（CopyOnWrite，COW）： 在写入数据时，不直接在原数据上修改，而是复制一份新数据后写入到新数据，最后再替换到原数据的引用上。这个特性各有优缺点：
- 优点 1 - 延迟处理： 在没有写入操作时不会复制 / 分配资源，能够避免瞬时的资源消耗。例如操作系统的 fork 操作也是一种写时复制的思想；
- 优点 2 - 降低锁颗粒度： 在写的过程中，读操作不会被影响，读操作也不需要加锁，锁的颗粒度从整个列表降低为写操作；
- 缺点 1 - 弱数据一致性： 在读的过程中，如果数据被其他线程修改，是无法实时感知到最新的数据变化的；
- 缺点 2 - 有内存压力： 在写操作中需要复制原数组，在复制的过程中内存会同时存在两个数组对象（只是引用，数组元素的对象还是只有一份），会带来内存占用和垃圾回收的压力。如果是 “写多读少” 的场景，就不适合。
所以，使用 CopyOnWriteArrayList 的场景一定要保证是 “读多写少” 且数据量不大的场景，而且在写入数据的时候，要做到批量操作。否则每个写入操作都会触发一次复制，想想就可怕。举 2 个例子：
- 例如批量写入一组数据，要使用 addAll 方法 批量写入；
- 例如在做排序时，要先输出为 ArrayList，在 ArrayList 上完成排序后再写回 CopyOnWriteArrayList。