在这里插入图片描述

引言

**面试官:** 小伙子你有点眼熟啊,是不是去年来这面试过啊。<br/>

**二胖:** 啊,没有啊我这是第一次来这。<br/>

**面试官:** 行,那我们开始今天的面试吧,刚开始我们先来点简单的吧,java里面的容器你知道哪些啊,跟我说一说吧。<br/>

**二胖:** 好的,java里面常见容器有ArrayList(线程非安全)、HashMap(线程非安全)、HashSet(线程非安全),ConcurrentHashMap(线程安全)。<br/>

**面试官:** ArrayList 既然线程非安全那有没有线程安全的ArrayList列?<br/>

**二胖:** 这个。。。 好像问到知识盲点了。<br/>

**面试官:** 那我们今天的面试就先到这了,我待会还有一个会,后续如有通知人事会联系你的。<br/>

**以上故事纯属虚构如有雷同请以本文为主。**

什么是COW

在java里面说到集合容器我们一般首先会想到的是HashMapArrayListHasHSet这几个容器也是平时开发中用的最多的。

这几个都是非线程安全的,如果我们有特定业务需要使用线程的安全容器列,

  • HashMap可以用ConcurrentHashMap代替。

  • ArrayList 可以使用Collections.synchronizedList()方法(list 每个方法都用synchronized修饰) 或者使用Vector(现在基本也不用了,每个方法都用synchronized修饰)

或者使用CopyOnWriteArrayList 替代。

  • HasHSet 可以使用 Collections.synchronizedSet 或者使用CopyOnWriteArraySet来代替。(CopyOnWriteArraySet为什么不叫CopyOnWriteHashSet因为CopyOnWriteArraySet底层是采用CopyOnWriteArrayList来实现的)

我们可以看到CopyOnWriteArrayList在线程安全的容器里面多次出现。

首先我们来看看什么是CopyOnWriteCopy-On-Write简称COW,是一种用于程序设计中的优化策略。

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。

为什么要引入COW

防止ConcurrentModificationException异常

在java里面我们如果采用不正确的循环姿势去遍历List时候,如果一边遍历一边修改抛出java.util.ConcurrentModificationException错误的。

如果对ArrayList循环遍历不是很熟悉的可以建议看下这篇文章《ArrayList的删除姿势你都掌握了吗》


        List<String> list = new ArrayList<>();

        list.add("张三");

        list.add("java金融");

        list.add("javajr.cn");

        Iterator<String> iterator = list.iterator();

        while(iterator.hasNext()){

            String content = iterator.next();

            if("张三".equals(content)) {

                list.remove(content);

            }

​

        }

上面这个栗子是会发生java.util.ConcurrentModificationException异常的,如果把ArrayList改为CopyOnWriteArrayList 是不会发生生异常的。

线程安全的容器

我们再看下面一个栗子一个线程往List里面添加数据,一个线程循环list读数据。


    List<String> list = new ArrayList<>();

        list.add("张三");

        list.add("java金融");

        list.add("javajr.cn");

        Thread t = new Thread(new Runnable() {

            int count = 0;

            @Override

            public void run() {

                while (true) {

                    list.add(count++ + "");

                }

            }

        });

        t.start();

        Thread.sleep(10000);

        for (String s : list) {

            System.out.println(s);

        }

我们运行上述代码也会发生ConcurrentModificationException异常,如果把ArrayList换成了CopyOnWriteArrayList就一切正常。

CopyOnWriteArrayList的实现

通过上面两个栗子我们可以发现CopyOnWriteArrayList是线程安全的,下面我们就来一起看看CopyOnWriteArrayList是如何实现线程安全的。


public class CopyOnWriteArrayList<E>

    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;

​

    /\*\* The lock protecting all mutators \*/

    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

​

    /\*\* The array, accessed only via getArray/setArray. \*/

    private transient volatile Object[] array;

从源码中我们可以知道CopyOnWriteArrayList这和ArrayList底层实现都是通过一个Object的数组来实现的,只不过 CopyOnWriteArrayList的数组是通过volatile来修饰的,为什么需要volatile修饰建议可以看看《Java的synchronized 能防止指令重排序吗?》

还有新增了ReentrantLock

add方法:


    public boolean add(E e) {

        // 先获取锁

        final ReentrantLock lock = this.lock;

        lock.lock();

        try {

            Object[] elements = getArray();

            int len = elements.length;

            // 复制一个新的数组

            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

            newElements[len] = e;

            // 把新数组的值 赋给原数组

            setArray(newElements);

            return true;

        } finally {

            // 释放锁

            lock.unlock();

        }

    }

上述源码我们可以发现比较简单,有几个点需要稍微注意下

  • 增加数据的时候是通过ReentrantLock加锁操作来(在jdk11的时候采用了synchronized来替换ReentrantLock)保证多线程写的时候只有一个线程进行数组的复制,否则的话内存中会有多份被复制的数据,导致数据错乱。

  • 数组是通过volatile 修饰的,根据 volatilehappens-before 规则,写线程对数组引用的修改是可以立即对读线程是可见的。

  • 通过写时复制来保证读写实在两个不同的数据容器中进行操作。

自己实现一个COW容器

再Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArraySet,但是并没有CopyOnWriteHashMap我们可以按照他的思路自己来实现一个CopyOnWriteHashMap


public class CopyOnWriteHashMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {

​

    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

​

    private volatile Map<K, V> map;

​

​

    public CopyOnWriteHashMap() {

        map = new HashMap<>();

    }

​

    @Override

    public V put(K key, V value) {

        final ReentrantLock lock = this.lock;

        lock.lock();

        try {

            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(map);

            V val = newMap.put(key, value);

            map = newMap;

            return val;

        } finally {

            lock.unlock();

        }

    }

​

    @Override

    public V get(Object key) {

        return map.get(key);

    }

    @Override

    public V remove(Object key) {

        final ReentrantLock lock = this.lock;

        lock.lock();

        try {

            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(map);

​

            if (!newMap.containsKey(key)) {

                return null;

            }

            V v = newMap.get(key);

            newMap.remove(key);

            map = newMap;

            return v;

        }finally {

            lock.unlock();

        }

    }

上述我们实现了一个简单的CopyOnWriteHashMap,只实现了add、remove、get方法其他剩余的方法可以自行去实现,涉及到只要数据变化的就要加锁,读无需加锁。

应用场景

CopyOnWrite并发容器适用于读多写少的并发场景,比如黑白名单、国家城市等基础数据缓存、系统配置等。这些基本都是只要想项目启动的时候初始化一次,变更频率非常的低。如果这种读多写少的场景采用 Vector,Collections包装的这些方式是不合理的,因为尽管多个读线程从同一个数据容器中读取数据,但是读线程对数据容器的数据并不会发生发生修改,所以并不需要读也加锁。

CopyOnWrite缺点

CopyOnWriteArrayList虽然是一个线程安全版的ArrayList,但其每次修改数据时都会复制一份数据出来,所以CopyOnWriteArrayList只适用读多写少或无锁读场景。我们如果在实际业务中使用CopyOnWriteArrayList,一定是因为这个场景适合而非是为了炫技。

内存占用问题

因为CopyOnWrite的写时复制机制每次进行写操作的时候都会有两个数组对象的内存,如果这个数组对象占用的内存较大的话,如果频繁的进行写入就会造成频繁的Yong GC和Full GC。

数据一致性问题

CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。读操作的线程可能不会立即读取到新修改的数据,因为修改操作发生在副本上。但最终修改操作会完成并更新容器所以这是最终一致性。

CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList()

简单的测试了下CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList()的读和写发现:

  • 在高并发的写时CopyOnWriteArray比同步Collections.synchronizedList慢百倍

  • 在高并发的读性能时CopyOnWriteArray比同步Collections.synchronizedList快几十倍。

  • 高并发写时,CopyOnWriteArrayList为何这么慢呢?因为其每次add时,都用Arrays.copyOf创建新数组,频繁add时内存申请释放性能消耗大。

  • 高并发读的时候CopyOnWriteArray无锁,Collections.synchronizedList有锁所以读的效率比较低下。

总结

选择CopyOnWriteArrayList的时候一定是读远大于写。如果读写都差不多的话建议选择Collections.synchronizedList。

结束

  • 由于自己才疏学浅,难免会有纰漏,假如你发现了错误的地方,还望留言给我指出来,我会对其加以修正。

  • 如果你觉得文章还不错,你的转发、分享、赞赏、点赞、留言就是对我最大的鼓励。

  • 感谢您的阅读,十分欢迎并感谢您的关注。


8888.png

巨人肩膀摘苹果

http://ifeve.com/java-copy-on-write/