先看再點贊，給自己一點思考的時間，微信搜尋【沉默王二】關注這個靠才華苟且的程式設計師。
本文 GitHub github.com/itwanger 已收錄，裡面還有一線大廠整理的面試題，以及我的系列文章。
hello，同學們，大家好，我是沉默王二，在我為數不多的面試經歷中，有一位姓馬的面試官令我印象深刻，九年過去了，我還能記得他為數不多的髮量。
老馬：“兄弟，ArrayList 是執行緒安全的嗎？”
王二：“不是啊。”
老馬：“那有沒有執行緒安全的 List？”
王二：“有啊，Vector。”
老馬：“還有別的嗎？”
王二：“Vector 不就夠用了嗎？”
老馬看了一下左手腕上的表，說道：“今天差不多就到這裡吧，你回去等通知。”
（不是，我特麼不是剛進來，就回答了三個問題而已，就到這了？）
現在回想起來當時一臉懵逼的樣子，臉上情不自禁地泛起了紅暈，老馬的意思是讓我說說 Java 的 CopyOnWriteArrayList，可惜我當時幾乎沒怎麼用過這個類，也不知道它就是個執行緒安全的 List，慚愧啊慚愧。
（地上有坑嗎？我想跳進去。）
真正的勇士敢於直面過去的慘淡，經過這麼多年的努力，我的技術功底已經大有長進了，是時候輸出一波傷害了。希望這篇文章能夠給不太瞭解 CopyOnWriteArrayList 的同學一點點幫助，到時候給面試官一個好看。
注：我用的是 OpenJDK 14。
01、Vector
Vector 的原始碼文件上直截了當地說了，“如果不需要執行緒安全，推薦使用 ArrayList 替代 Vector。”說實話，在我十多年的程式設計生涯中，的確很少使用 Vector，因為它的執行緒安全是建立在每個方法上都加了 synchronized 關鍵字的基礎上，鎖的粒度很高，意味著效能就不咋滴。
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
add(e, elementData, elementCount);
return true;
}
public synchronized E remove(int index) {
modCount++;
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = elementCount - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
就連 size() 這樣的方法上都加了 synchronized，可想而知，Vector 有多鋪張浪費，有多錦衣玉食。
如果對 synchronized 關鍵字不太瞭解的話，可以點選下面的連結檢視我之前寫的一篇文章。
高併發的情況下，一般都要求效能要給力，Vector 顯然不夠格，所以被遺忘在角落也是“罪有應得”啊。
02、SynchronizedList
那有些同學可能會說，可以使用 Collections.synchronizedList() 讓 ArrayList 變成執行緒安全啊。
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new Collections.SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new Collections.SynchronizedList<>(list));
}
無論是 SynchronizedRandomAccessList 還是 SynchronizedList，它們都沒有在方法級別上使用 synchronized 關鍵字，而是在方法體內使用了 synchronized(this) 塊。
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}
其中 mutex 為 this 關鍵字，也就是當前物件。
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
this.c = Objects.requireNonNull(c);
mutex = this;
}
03、ConcurrentModificationException
ConcurrentModificationException 這個異常不知道同學們有沒有遇到過？我先來敲段程式碼讓它發生一次，讓同學們認識一下。
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一個文章真特麼有趣的程式設計師");
for (String str : list) {
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
執行這段程式碼就會丟擲 ConcurrentModificationException：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.base/java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:1012)
at java.base/java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:966)
通過異常的堆疊資訊可以查詢到，異常發生在 ArrayList 的內部類 Itr 的 checkForComodification() 方法中。
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
也就是說，在執行 checkForComodification() 方法的時候，發現 modCount 和 expectedModCount 不等，就丟擲了 ConcurrentModificationException 異常。
為什麼會這樣呢？之前的程式碼也沒有呼叫 checkForComodification() 方法啊！
那就只能來看一下反編譯後的位元組碼了，原來 for-each 這個語法糖是通過 Iterator 實現的。
List<String> list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一個文章真特麼有趣的程式設計師");
Iterator var3 = list.iterator();
while (var3.hasNext()) {
String str = (String) var3.next();
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
在執行 list.iterator() 的時候，其實返回的就是 ArrayList 的內部類 Itr。
public Iterator<E> iterator() {
return new ArrayList.Itr();
}
迭代器 Iterator 是 fail-fast 的，如果以任何方式（包括 remove 和
add）對迭代器進行修改的話，就會丟擲 ConcurrentModificationException。
迭代器在執行 remove() 方法的時候，會對 modCount 加 1。remove() 方法內部會呼叫 fastRemove() 方法。
private void fastRemove(Object[] es, int i) {
modCount++;
final int newSize;
if ((newSize = size - 1) > i)
System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
es[size = newSize] = null;
}
當在進行下一次 next() 會執行 checkForComodification() 方法，結果發現 modCount 為 4，而 expectedModCount 為 3，於是就丟擲了異常。
之所以在單執行緒的情況下就丟擲 ConcurrentModificationException，就是為了在多執行緒併發的情況下，不冒任何的危險，提前規避掉其他執行緒對 List 修改的可能性。
ArrayList 返回的迭代器是 fail-fast 的，Vector 的也是，SynchronizedList 的也是。這就意味著它們在多執行緒環境下通過 for-each 遍歷進行增刪操作的時候會出問題。
04、CopyOnWriteArrayList
瞧，為了引出 CopyOnWriteArrayList，我花了多少心思。
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一個文章真特麼有趣的程式設計師");
for (String str : list) {
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
把 ArrayList 換成 CopyOnWriteArrayList，程式就能夠正常執行了，輸出結果如下所示。
[沉默王三, 一個文章真特麼有趣的程式設計師]
之所以不丟擲 ConcurrentModificationException 異常，是因為 CopyOnWriteArrayList 是 fail-safe 的，迭代器遍歷的是原有的陣列，remove 的時候 remove 的是複製後的新陣列，然後再將新陣列賦值給原有的陣列。
不過，任何在獲取迭代器之後對 CopyOnWriteArrayList 的修改將不會及時反映迭代器裡。
CopyOnWriteArrayList<String> list1 =
new CopyOnWriteArrayList<>(new String[] {"沉默王二", "沉默王三"});
Iterator itr = list1.iterator();
list1.add("沉默王四");
while(itr.hasNext()) {
System.out.print(itr.next() + " ");
}
沉默王四並不會出現在輸出結果中。
沉默王二 沉默王三
ArrayList 的迭代器 Itr 是支援 remove 的。
List<String> list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一個文章真特麼有趣的程式設計師");
Iterator var3 = list.iterator();
while (var3.hasNext()) {
String str = (String) var3.next();
if ("沉默王二".equals(str)) {
var3.remove();
}
}
System.out.println(list);
程式輸出的結果如下所示：
[沉默王三, 一個文章真特麼有趣的程式設計師]
而 CopyOnWriteArrayList 的迭代器 COWIterator 是不支援 remove 的。
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
CopyOnWriteArrayList 實現了 List 介面，不過，它不在 java.util 包下，而在 java.util.concurrent 包下，算作是 ArrayList 的增強版，執行緒安全的。
顧名思義，CopyOnWriteArrayList 在進行寫操作（add、set、remove）的時候會先進行拷貝，底層是通過陣列複製來實現的。
Java 8 的時候，CopyOnWriteArrayList 的增刪改操作方法使用的是 ReentrantLock（可重入鎖，一個執行緒獲得了鎖之後仍然可以反覆的加鎖，不會出現自己阻塞自己的情況）。
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();
}
}
Java 14 的時候，已經改成 synchronized 塊了。
public boolean add(E e) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
int len = es.length;
es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
es[len] = e;
setArray(es);
return true;
}
}
其中的 lock 是一個 Object 物件（註釋上說和 ReentrantLock 有一點關係）。
/**
* The lock protecting all mutators. (We have a mild preference
* for builtin monitors over ReentrantLock when either will do.)
*/
final transient Object lock = new Object();
使用 ReentrantLock 效能更好，還是 synchronized 塊效能更好，同學們可以試驗一下。不過，從另外一些細節上看，Java 14 的寫法比 Java 8 更簡潔一些，其中就少了一個 newElements 變數的建立。
再來看 set() 方法：
public E set(int index, E element) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
E oldValue = elementAt(es, index);
if (oldValue != element) {
es = es.clone();
es[index] = element;
}
// Ensure volatile write semantics even when oldvalue == element
setArray(es);
return oldValue;
}
}
同樣使用了 synchronized 塊，並且呼叫了封裝好的 clone() 方法進行了複製。
然後來看 remove() 方法：
public E remove(int index) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
int len = es.length;
E oldValue = elementAt(es, index);
int numMoved = len - index - 1;
Object[] newElements;
if (numMoved == 0)
newElements = Arrays.copyOf(es, len - 1);
else {
newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(es, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(es, index + 1, newElements, index,
numMoved);
}
setArray(newElements);
return oldValue;
}
}
synchronized 塊是必須的，陣列複製（System.arraycopy()）也是必須的。
和 Vector 不同的是，CopyOnWriteArrayList 的 get()、size() 方法不再加鎖。
public int size() {
return getArray().length;
}
public E get(int index) {
return elementAt(getArray(), index);
}
簡單總結一下就是：第一，CopyOnWriteArrayList 在修改時，複製出一個新陣列，修改的操作在新陣列中完成，最後將新陣列賦值給原有的陣列引用。第二，CopyOnWriteArrayList 的寫加鎖，讀不加鎖。
CopyOnWriteArrayList 有很多優勢，但陣列複製是沉重的，如果寫的操作比較多，而讀的操作比較少，記憶體就會被佔用得比較多；另外，CopyOnWriteArrayList 無法保證資料是實時同步的，因為讀寫操作是分離的，寫的操作都建立在複製的新陣列上，而讀的是原有的陣列。
05、最後
如果九年前，我就看到了這樣一篇文章，一定就不會被老馬刁難呢，保不準還能再拖延半個小時，讓他多問二十個問題。但我想同學們一定是比我幸運的，至少現在看到了，不晚，對不對？
我是沉默王二，一枚有顏值卻靠才華苟且的程式設計師。關注即可提升學習效率，別忘了三連啊，點贊、收藏、留言，我不挑，奧利給。
注：如果文章有任何問題，歡迎毫不留情地指正。
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