CopyOnWriteArrayList
简介
CopyOnWriteArrayList是ArrayList的线程安全版本，内部也是通过数组实现，每次对数组的修改都完全拷贝一份新的数组来修改，修改完了再替换掉老数组，这样保证了只阻塞写操作，不阻塞读操作，实现读写分离。
写入时复制(CopyOnWrite)思想
写入时复制(CopyOnWrite，简称COW)思想是计算机程序设计领域中的一种优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者(Callers)同时要求相同的资源(如内存或者是磁盘上的数据存储)，他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者视图修改资源内容时，系统才会真正复制一份专用副本(private copy)给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的(transparently)。此做法主要的优点是如果调用者没有修改资源，就不会有副本(private copy)被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。
应用场景：
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景。
案例
java
public class Test {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
List<Integer> synchronizedList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
int writeLoopCount = 10000;
// ------ 写 -----------
StopWatch stopWatch = new StopWatch();
stopWatch.start("测试写：copyOnWriteArrayList");
IntStream.rangeClosed(1, writeLoopCount).parallel().forEach(
x -> copyOnWriteArrayList.add(ThreadLocalRandom.current().nextInt(writeLoopCount))
);
stopWatch.stop();
stopWatch.start("测试写：synchronizedList");
IntStream.rangeClosed(1, writeLoopCount).parallel().forEach(
x -> synchronizedList.add(ThreadLocalRandom.current().nextInt(writeLoopCount))
);
stopWatch.stop();
System.out.println(stopWatch.prettyPrint());
// ------ 读 -----------
int readLoopCount = 1000000;
StopWatch stopWatch2 = new StopWatch();
stopWatch2.start("测试读：copyOnWriteArrayList");
IntStream.rangeClosed(1, readLoopCount).parallel().forEach(
x -> copyOnWriteArrayList.get(ThreadLocalRandom.current().nextInt(writeLoopCount))
);
stopWatch2.stop();
stopWatch2.start("测试读：synchronizedList");
IntStream.rangeClosed(1, readLoopCount).parallel().forEach(
x -> synchronizedList.get(ThreadLocalRandom.current().nextInt(writeLoopCount))
);
stopWatch2.stop();
System.out.println(stopWatch2.prettyPrint());
}
}输出：
text
StopWatch '': running time (millis) = 281
-----------------------------------------
ms % Task name
-----------------------------------------
00275 098% 测试写：copyOnWriteArrayList
00006 002% 测试写：synchronizedList
StopWatch '': running time (millis) = 99
-----------------------------------------
ms % Task name
-----------------------------------------
00027 027% 测试读：copyOnWriteArrayList
00072 073% 测试读：synchronizedList在大量写的情况下，CopyOnWriteArrayList的性能是远远不如普通的加锁List的，性能差距可能在100倍以上，而CopyOnWriteArrayList的读性能大概在普通加锁List的2-5倍左右。所以CopyOnWriteArrayList只适用于大量读的场景。
源码分析
继承体系
CopyOnWriteArrayList实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等接口。提供了基础的添加、删除、遍历等操作，随机访问的能力，克隆，序列化。
属性
java
// 用于修改时加锁
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 真正存储元素的地方，只能通过getArray()/setArray()访问
private transient volatile Object[] array;
final Object[] getArray() {
return array;
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}lock用于修改时加锁，使用transient修饰表示不自动序列化。
array真正存储元素的地方，使用transient修饰表示不自动序列化，使用volatile修饰表示一个线程对这个字段的修改另外一个线程立即可见。
构造方法
java
public CopyOnWriteArrayList() {
// 所有对array的操作都是通过setArray()和getArray()进行
setArray(new Object[0]);
}
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] elements;
if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
// 如果c也是CopyOnWriteArrayList类型
// 那么直接把它的数组拿过来使用
elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
else {
// 否则调用其toArray()方法将集合元素转化为数组
elements = c.toArray();
// 这里c.toArray()返回的不一定是Object[]类型
// 详细原因见ArrayList里面的分析
if (elements.getClass() != Object[].class)
elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
}
setArray(elements);
}
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}- 创建空数组。
- 如果
c是CopyOnWriteArrayList类型，直接把它的数组赋值给当前list的数组，注意这里是浅拷贝，两个集合共用同一个数组。如果c不是CopyOnWriteArrayList类型，则进行拷贝把c的元素全部拷贝到当前list的数组中。 - 把
toCopyIn的元素拷贝给当前list的数组。
添加元素
add(E e)方法
添加一个元素到末尾。
java
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 获取旧数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 将旧数组元素拷贝到新数组中
// 新数组大小是旧数组大小加1
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 将元素放在最后一位
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}- 加锁；
- 获取元素数组；
- 新建一个数组，大小为原数组长度加1，并把原数组元素拷贝到新数组；
- 把新添加的元素放到新数组的末尾；
- 把新数组赋值给当前对象的
array属性，覆盖原数组； - 解锁；
add(int index, E element)方法
添加一个元素在指定索引处。
java
public void add(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 获取旧数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 检查是否越界，可以等于len
if (index > len || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+len);
Object[] newElements;
int numMoved = len - index;
if (numMoved == 0)
// 如果插入的位置是最后一位
// 那么拷贝一个n+1的数组，其前n个元素与旧数组一致
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
// 如果插入的位置不是最后一位
// 那么新建一个n+1的数组
newElements = new Object[len + 1];
// 拷贝旧数组前index的元素到新数组中
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
// 将index及其之后的元素往后挪一位拷贝到新数组中
// 这样正好index位置是空出来的
System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1, numMoved);
}
// 将元素放置在index处
newElements[index] = element;
setArray(newElements);
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}- 加锁；
- 检查索引是否合法，如果不合法抛出
IndexOutOfBoundsException异常，注意这里index等于len也是合法的； - 如果索引等于数组长度（也就是数组最后一位再加
1），那就拷贝一个len+1的数组； - 如果索引不等于数组长度，那就新建一个
len+1的数组，并按索引位置分成两部分，索引之前（不包含）的部分拷贝到新数组索引之前（不包含）的部分，索引之后（包含）的位置拷贝到新数组索引之后（不包含）的位置，索引所在位置留空； - 把索引位置赋值为待添加的元素；
- 把新数组赋值给当前对象的
array属性，覆盖原数组； - 解锁；
addIfAbsent(E e)方法
添加一个元素如果这个元素不存在于集合中。
java
public boolean addIfAbsent(E e) {
// 获取元素数组，取名为快照
Object[] snapshot = getArray();
// 检查如果元素不存在，直接返回false
// 如果存在再调用addIfAbsent()方法添加元素
return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
addIfAbsent(e, snapshot);
}
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 重新获取旧数组
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
// 如果快照与刚获取的数组不一致
// 说明有修改
if (snapshot != current) {
// 重新检查元素是否在刚获取的数组里
int common = Math.min(snapshot.length, len);
for (int i = 0; i < common; i++)
// 到这个方法里面了，说明元素不在快照里面
if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
return false;
if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
return false;
}
// 拷贝一份n+1的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
// 将元素放在最后一位
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}- 检查这个元素是否存在于数组快照中；
- 如果存在直接返回
false，如果不存在调用addIfAbsent(E e, Object[] snapshot)处理; - 加锁；
- 如果当前数组不等于传入的快照，说明有修改，检查待添加的元素是否存在于当前数组中，如果存在直接返回
false; - 拷贝一个新数组，长度等于原数组长度加1，并把原数组元素拷贝到新数组中；
- 把新元素添加到数组最后一位；
- 把新数组赋值给当前对象的
array属性，覆盖原数组； - 解锁；
修改元素
java
public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
E oldValue = get(elements, index);
if (oldValue != element) {
int len = elements.length;
// 创建新数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
// 替换元素
newElements[index] = element;
// 将新数组指向原来的引用
setArray(newElements);
} else {
// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
setArray(elements);
}
return oldValue;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}获取元素
获取指定索引的元素，支持随机访问，时间复杂度为O(1)。
java
public E get(int index) {
// 获取元素不需要加锁
// 直接返回index位置的元素
// 这里是没有做越界检查的，因为数组本身会做越界检查
return get(getArray(), index);
}
final Object[] getArray() {
return array;
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}- 获取元素数组；
- 返回数组指定索引位置的元素；
删除元素
删除指定索引位置的元素。
java
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 获取旧数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
// 如果移除的是最后一位
// 那么直接拷贝一份n-1的新数组，最后一位就自动删除了
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
// 如果移除的不是最后一位
// 那么新建一个n-1的新数组
Object[] newElements = new Object[len - 1];
// 将前index的元素拷贝到新数组中
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
// 将index后面(不包含)的元素往前挪一位
// 这样正好把index位置覆盖掉了，相当于删除了
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}- 加锁；
- 获取指定索引位置元素的旧值；
- 如果移除的是最后一位元素，则把原数组的前
len-1个元素拷贝到新数组中，并把新数组赋值给当前对象的数组属性； - 如果移除的不是最后一位元素，则新建一个
len-1长度的数组，并把原数组除了指定索引位置的元素全部拷贝到新数组中，并把新数组赋值给当前对象的数组属性； - 解锁并返回旧值；
获取数组长度
返回数组的长度。
java
public int size() {
// 获取元素个数不需要加锁
// 直接返回数组的长度
return getArray().length;
}为什么
CopyOnWriteArrayList没有size属性？ 因为每次修改都是拷贝一份正好可以存储目标个数元素的数组，所以不需要size属性了，数组的长度就是集合的大小，而不像ArrayList数组的长度实际是要大于集合的大小的。 比如，add(E e)操作，先拷贝一份n+1个元素的数组，再把新元素放到新数组的最后一位，这时新数组的长度为len+1了，也就是集合的size了。
总结
CopyOnWriteArrayList使用ReentrantLock重入锁加锁，保证线程安全；CopyOnWriteArrayList的写操作都要先拷贝一份新数组，在新数组中做修改，修改完了再用新数组替换老数组，所以空间复杂度是O(n)，性能比较低下；CopyOnWriteArrayList的读操作支持随机访问，时间复杂度为O(1)；CopyOnWriteArrayList采用读写分离的思想，读操作不加锁，写操作加锁，且写操作占用较大内存空间，所以适用于读多写少的场合；CopyOnWriteArrayList只保证最终一致性，不保证实时一致性；