java集合-CopyOnWrite系列
Copy-On-Write简称COW,是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是,从一开始大家都在共享同一个内容,当某个人想要修改这个内容的时候,才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改,这是一种延时懒惰策略。
什么是CopyOnWrite
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。
目前实现CopyOnWrite的并发容器有:CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet
线程安全的CopyOnWriteArrayList源码分析
public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>,
RandomAccess,
Cloneable,
java.io.Serializable
CopyOnWriteArrayList只实现了List接口,并没有继承extends AbstractList,意味着需要自己实现迭代器
看下面代码demo
List<String> copyArrayList = new CopyOnWriteArrayList<String>();
copyArrayList.add("3");
copyArrayList.remove(2);
copyArrayList.iterator();
初始化
//2.这里可以看到CopyOnWriteArrayList的安全性是使用Lock来实现的
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private transient volatile Object[] array;
final Object[] getArray() {
return array;
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
//1.实例化时默认数组大小为1;
public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}
1.实例化时默认数组大小为1;
2.这里可以看到CopyOnWriteArrayList的安全性是使用Lock来实现。
添加
public boolean add(E e) {
//加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//每次在添加元素时动态扩展一个元素,把新元素加入进去。
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;//将元素添加到新的数组中去
setArray(newElements);//将新数组指向到到原数组变量
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
final void setArray(Object[] a) {
//将新数组指向到原始数组上
array = a;
}
- 当每次添加一个元素时才动态扩展数组大小为1.每次扩展为size()+1; 这里不管数组大小是否足够,每次都会新建一个数组,大小为原数组+1。
- 注意到没,每次添加元素时都会复制原数组,在原数组上+1,进行添加元素。
- 在添加的时候加锁,但是读取元素时读取的还是老数组,所以读不用加锁,不影响读的问题。但是缺点也很明显,就是在某一个时刻内存中会多了一个数组,随着list的数组量多时,在添加一个元素时,内存会一倍的被占用。
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。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。
读取数据
读的时候不需要加锁,因为读取到时候读的是array数组。如果这个时候有数据添加或者删除,操作的都是新数组,并不会影响到我们读。
//new copy时初始化的
private transient volatile Object[] array;
final Object[] getArray() {
return array;
}
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
//直接从array里面获取数据,没有加锁,也不需要加锁
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
上面也提到过,CopyOnWrite是最终一致性,所以如果多线程环境下,一个线程正在添加一个元素,然后另外一个线程立马去读,有可能读取不到。它只能保证最终一致性。
删除
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
//1.定义一个新数组长度为老的数组长度-1
Object[] newElements = new Object[len - 1];
//2.把删除元素的前面的数组元素复制到新数组里面
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
//3.把删除元素后面的数组元素复制到新数组里面
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,numMoved);
//4.返回一个新数组
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}
删除和ArrayList里面的删除也是很不一样的,copyOnwrite是新建一个数组,然后将删除元素坐标的前半段,后半段移动到新数组里面,然后再将原始数组指向新数组中。而ArrayList里面是在原数组中,如果删除了第2位,则后面的所有元素向前移动一位就OK了,始终是一个数组。
遍历
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
/** Snapshot of the array */
private final Object[] snapshot;
/** Index of element to be returned by subsequent call to next. */
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = elements;
}
public boolean hasNext() {
return cursor < snapshot.length;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor > 0;
}
//读取下一个元素,其实就是一个迭代,里面每次cursor++,和for循环差不多
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
if (! hasNext())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[cursor++];
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
if (! hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[--cursor];
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor-1;
}
//迭代的时候不允许remove操作,直接抛异常
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
//霸气,直接抛异常
public void set(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public void add(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
@Override
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
Object[] elements = snapshot;
final int size = elements.length;
for (int i = cursor; i < size; i++) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) elements[i];
action.accept(e);
}
cursor = size;
}
}
解说:霸气,只能用霸气来说明。这里定义了一个内部类COWIterator implements ListIterator 实现了ListIterator。
在遍历数组的时候,不能add,remove,如果外面的某个线程操作了add,直接抛异常。所以说霸气,在迭代遍历的时候禁止做一起事情,如果做了直接抛异常。