Java并发基础：CopyOnWriteArrayList全面解析 - 程序员古德

内容概要

CopyOnWriteArrayList类的最大优点在于读取时无需加锁，非常适合读多写少的并发场景，由于其写操作通过复制底层数据来实现，从而保证了读取数据的一致性和高效性，此外，它简单易用，是快速实现线程安全列表的不错选择，CopyOnWriteArrayList在读操作占主导的场景下，能够提供出色的性能和稳定性。

核心概念

CopyOnWriteArrayList 类实现了 List 、RandomAccess和Cloneable接口，它是一个线程安全的变体，它的工作原理：当修改操作（如 add、set 等）发生时，它会复制底层数组，然后在复制后的数组上进行修改，修改完成后再将内部的引用指向新的数组，这种设计使得读取操作可以在不进行任何锁定的情况下进行，因此非常适合读多写少的并发场景。

假设，有一个在线新闻发布系统，该系统维护了一个新闻列表，这个列表需要被频繁地读取（用户浏览新闻），但只偶尔被修改（发布新新闻或更新现有新闻），在这种情况下，使用 CopyOnWriteArrayList 来存储新闻列表可能是一个不错的选择。

  1. 读取操作：当用户浏览新闻时，系统需要从新闻列表中读取数据，由于 CopyOnWriteArrayList 的读取操作是无锁的，因此多个用户可以同时读取新闻列表而不会相互阻塞，这有助于提高系统的吞吐量。
  2. 写入操作：当新闻编辑发布新新闻或更新现有新闻时，系统需要修改新闻列表，虽然 CopyOnWriteArrayList 的写入操作会复制整个底层数组，但由于这种操作并不频繁，因此不会成为性能瓶颈，此外，由于写入操作是在新的数组上进行的，因此读取操作不会被阻塞，这有助于保持系统的响应性。

CopyOnWriteArrayList 类特别适合读多写少的场景中，它通常用来解决以下类似场景的问题：

  1. 线程安全：在多线程环境下，普通的 ArrayList 不是线程安全的，如果有多个线程同时修改 ArrayList，可能会导致数据不一致的问题，CopyOnWriteArrayList 通过内部的复制机制保证了线程安全，即当有线程对列表进行修改时（如添加、删除元素），它会先复制一份当前列表的副本，然后在副本上进行修改，修改完成后再将内部引用指向新的副本，这样读取操作就可以继续在原列表上进行，而不会被修改操作所阻塞。
  2. 读写分离：由于 CopyOnWriteArrayList 的写操作（修改操作）是在新的数组上进行的，而读操作则是在未修改的原始数组上进行，因此读写操作之间不会相互干扰，这种读写分离的设计使得 CopyOnWriteArrayList 在高并发读取的场景下表现良好。
  3. 数据一致性：通过复制整个底层数组来确保修改操作的原子性，CopyOnWriteArrayList 提供了强一致性保证，因此，读取操作要么看到的是修改之前的列表状态，要么看到的是修改之后的列表状态，而不会是中间状态。

CopyOnWriteArrayList 并不适用于所有场景，由于其写操作需要复制整个底层数组，因此当列表很大或者写操作非常频繁时，它可能会导致较大的内存开销和性能下降。

代码案例

下面是一个简单的Java程序，演示了如何使用CopyOnWriteArrayList类，案例中创建了一个CopyOnWriteArrayList实例，并模拟了多个线程同时对其进行读写操作的情况，如下代码：

import java.util.List;  
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;  
  
public class CopyOnWriteArrayListDemo {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建一个CopyOnWriteArrayList实例  
        List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();  
  
        // 启动一个线程向列表中添加元素  
        new Thread(() -> {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {  
                list.add("Item " + i);  
                try {  
                    // 模拟耗时操作，让其他线程有机会读取数据  
                    Thread.sleep(100);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
            System.out.println("Writer Thread Finished!");  
        }).start();  
  
        // 启动多个线程从列表中读取元素  
        for (int i = 0; i < 3; i++) {  
            new Thread(() -> {  
                for (int j = 0; j < 10; j++) {  
                    // 读取列表中的元素  
                    System.out.println("Reader Thread " + Thread.currentThread().getId() + " is reading: " + list);  
                    try {  
                        // 模拟耗时操作  
                        Thread.sleep(50);  
                    } catch (InterruptedException e) {  
                        e.printStackTrace();  
                    }  
                }  
            }).start();  
        }  
    }  
}

在上面代码中，创建了一个CopyOnWriteArrayList的实例list，启动了一个线程来模拟向列表中添加元素的写操作，这个线程使用循环向列表中添加5个元素，并在每次添加后暂停100毫秒以模拟耗时操作，接着，启动了3个线程来模拟从列表中读取元素的读操作，每个线程都使用循环读取列表10次，并在每次读取后暂停50毫秒以模拟耗时操作，由于CopyOnWriteArrayList的写操作会复制底层数组，并且在新的数组上进行修改，因此读取操作不会受到写操作的影响，从而保证了线程安全和数据一致性。

核心API

CopyOnWriteArrayList 类提供了一个线程安全的 ArrayList 实现，它通过在修改时复制底层数组来实现线程安全，因此它特别适合于读多写少的并发场景，下面是CopyOnWriteArrayList` 类中一些主要方法的含义：

1、构造方法

  • CopyOnWriteArrayList(): 创建一个空的 CopyOnWriteArrayList。
  • CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c): 创建一个包含指定集合中所有元素的 CopyOnWriteArrayList。

2、读取方法（通常不会阻塞，因为读取时不需要锁定）

  • get(int index): 获取指定索引位置的元素。
  • iterator(): 返回一个迭代器，用于遍历列表中的元素。
  • listIterator(): 返回一个列表迭代器，允许以任何方向遍历列表，并修改元素（尽管在 CopyOnWriteArrayList 中修改元素实际上会抛出 UnsupportedOperationException）。
  • toArray(): 返回一个包含列表中所有元素的数组。

3、修改方法（在修改时因为会复制底层数组，所以可能需要更多时间）

  • add(E e): 在列表的末尾添加一个元素。
  • add(int index, E element): 在列表的指定位置插入一个元素。
  • addAll(Collection<? extends E> c): 将指定集合中的所有元素添加到列表的末尾。
  • addAll(int index, Collection<? extends E> c): 将指定集合中的所有元素插入到列表的指定位置。
  • set(int index, E element): 替换列表中指定位置的元素。
  • remove(int index): 移除列表中指定位置的元素。
  • remove(Object o): 移除列表中第一个出现的指定元素（如果存在）。
  • removeAll(Collection<?> c): 移除列表中所有包含在指定集合中的元素。
  • retainAll(Collection<?> c): 仅在列表中保留包含在指定集合中的元素。
  • clear(): 清空列表中的所有元素。

4、查询方法

  • contains(Object o): 检查列表中是否包含指定元素。
  • containsAll(Collection<?> c): 检查列表是否包含指定集合中的所有元素。
  • isEmpty(): 检查列表是否为空。
  • size(): 返回列表中的元素数量。
  • indexOf(Object o): 返回列表中第一次出现指定元素的索引，如果列表不包含此元素，则返回 -1。
  • lastIndexOf(Object o): 返回列表中最后一次出现指定元素的索引，如果列表不包含此元素，则返回 -1。

5、其他方法

  • subList(int fromIndex, int toIndex): 返回列表中指定的部分视图（注意，返回的不是新的独立列表，对返回的列表的修改会影响原列表，但由于 CopyOnWriteArrayList 的特性，修改操作会抛出 UnsupportedOperationException）。
  • equals(Object o): 比较此列表与指定对象是否相等。
  • hashCode(): 返回列表的哈希码值。

CopyOnWriteArrayList 的写操作（修改方法）是通过复制底层数组来实现的，因此在高并发写入的场景下，性能可能会受到严重影响，这种情况下，其他并发数据结构，如 ConcurrentHashMap 中的 Segment 数组、ConcurrentLinkedQueue 或 ConcurrentSkipListMap 等，可能会是更好的选择。但是，在读多写少的场景中，推荐使用CopyOnWriteArrayList ，它提供了一个高效且线程安全的解决方案。

核心总结

Java并发基础：CopyOnWriteArrayList全面解析 - 程序员古德

CopyOnWriteArrayList类是一个线程安全的列表实现，非常适合读多写少的并发场景，优点在于读取操作无需锁定，性能高效，且能保证数据的一致性；写操作时，通过复制底层数组来避免阻塞读操作，从而实现读写分离。但是，它的写操作代价较高，因为每次修改都需要复制整个数组，这在数据量大或写操作频繁时会造成明显的性能开销，此外，它不适合需要频繁修改列表的场景，因为每次修改都会生成新的数组副本，导致内存占用较高。

在读取操作远多于写入操作，且对数据实时性要求不高的场景中，CopyOnWriteArrayList是个不错的选择，但如果写操作频繁或数据量巨大，建议考虑其他更适合的并发数据结构，如ConcurrentLinkedQueue或ConcurrentHashMap等。

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