【雜談】對CopyOnWriteArrayList的認識

貓毛·波拿巴發表於2018-11-12

前言

　　之前看《Java併發程式設計》這本書的時候，有看到這個，只記得"讀多寫少"、"寫入時複製"。書中沒有過多講述，只是一筆帶過（不過現在回頭看，發現講的都是精髓。老外的書大多重理論，喜歡花大篇幅講概念，這點我非常喜歡）記得當時是覺得可能有點難，先跳過了，結果就忘記回頭看了。今天突然想起來，就看了一下，整理一點東西。

非執行緒安全的ArrayList

我們知道原來util包中的ArrayList是不提供同步的，也就是說當多個執行緒讀寫ArrayList的時候可能出現執行緒安全問題。例如，就add操作而言

ArrayList的add方法:

我們把elementData[size++] = e 分為兩步：

  • elementData[size]=e
  • size++

如果呼叫兩次add操作，期待結果應該是這樣的：

 

但是，如果存在兩個執行緒A、B幾乎同時操作add方法，由於無法保證add操作的原子性，實際操作時序可能如下。

 

那麼，對應的結果就會是這樣：

這裡就發生大問題了，e1被後續新增的e2覆蓋。e1丟失，而size卻仍舊遞增兩位。

 

執行緒安全的ArrayList——SynchronizedList

Collections實用類（注意，不是Collection介面）提供同步容器包裝，將普通的集合包裝成執行緒安全的集合。

例如，通過Collections.synchronizedList(List<T>)方法，可以把一個非執行緒安全的List集合變為執行緒安全的集合。

這裡其實是一個裝飾器模式的應用，引數集合List將被裝飾為SynchronizedList。

 

其是Collections的內部類。

通過對每個方法呼叫都進行同步加鎖，使得多個執行緒讀寫ArrayList只能按序進行。這樣的話，資料的安全性和一致性都得到了保證。

缺點也非常明顯，每個執行緒讀寫ArrayList都需進行同步，開銷大。

 

迭代過程中的異常 —— ConcurrentModificationException 

在ArrayList的實現中，其迭代器實現了一個方法checkForComodification 這個方法會檢查迭代期間是否有其他執行緒修改了集合，如果有，則丟擲ConcurrentModificationException。

原理

主要跟兩個欄位有關：

  • expectedModCount（來自ArrayList的迭代器Itr）
  • modCount（來自ArrayList的父類AbstractList，初始為0）。

ArrayList實現中，每執行一次新增操作，都會讓modCount+1。

注意：addAll也是讓modCount+1，與新增的元素個數無關。remove和set操作不算，其不會讓modCount有所改變。

ArrayList的迭代器中，expectedModCount的初始值被設定為modCount。

迭代器在每次遍歷時，會呼叫checkForComodification 檢查狀態，如果此過程中集合發生了改動，則直接丟擲異常。

 

注：如果迭代期間需要修改集合，只能通過迭代器的方法修改集合，這些方法不會觸發異常。因為其會重置expectedModCount的值為當前modCount。

如何防止迭代過程出現異常？

所以，在使用這樣的ArrayList時，如果需要對其進行迭代，則需要對容器進行加鎖（或者拷貝一份），使當前執行緒對其獨佔訪問，以保證其迭代過程能夠正常執行。如下：

public class SomeClass {
    List<E> list;

    public SomeClass(List<E> list) {
        this.list = list;
    }

    //如果這個方法會被多執行緒訪問，那麼最好對list的訪問進行加鎖
    public void function() {
        synchronized(list) {
            for(E e:list) {
                ....
            }
        }
    }
}

 

 

執行緒安全的另一種實現類——CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList同樣是執行緒安全的ArrayList，但是與SynchronizedList不同的是，它只對寫操作加鎖，對讀操作不加鎖。關鍵是，其在迭代期間不需要對容器進行加鎖或複製。這一切都與"寫入時複製"有關。

寫入時複製的原理

 

CopyOnWriteArrayList的欄位：

  • lock => 鎖，寫操作時需要
  • array => 容器陣列的引用。指向儲存當前元素的陣列。

與容器陣列引用直接相關的兩個方法：

寫入時複製相關程式碼：

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //寫操作還是要上鎖的，此鎖是全域性鎖
    lock.lock();
    try {
        //獲取容器陣列
        Object[] elements = getArray();
        //獲得容器長度
        int len = elements.length;
        //建立一個新的儲存空間，容量+1
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //在新的儲存空間內，加入新元素
        newElements[len] = e;
        //修改當前容器陣列的引用
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        //釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

當add操作完成後，array的引用就已經指向另一個儲存空間了。 這裡也暴露了一個缺點：如果此容器的寫操作比較頻繁，那麼其開銷就比較大。

迭代器實現

CopyOnWriteArray有自己的迭代器，該迭代器不會檢查修改狀態，也無需檢查狀態。因為迭代的陣列是可以說是隻讀的，不會有其他執行緒能夠修改它。

迭代器，引用的陣列變數名就叫snapshot（快照）。也從另一個角度說明，在迭代器迭代過程中，其使用的是容器的過去一個版本，一個快照。不能保證是當前容器的狀態。

這裡也暴露了一個缺點：不能保證資料的瞬時一致性。

但是，其有一個顯著的優點，那就是讀操作，和遍歷操作不需要同步。多執行緒訪問的時候，速度較高。

 

CopyOnWriteArrayList應用場景

 　　由以上的優缺點可得，CopyOnWriteArrayList應用的場景，最好是讀操作多，寫操作相對較少的場景（"讀多寫少"）。也就是說，集合內容不會經常變動的。例如，網上常說的"黑名單"這類東西。

 

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