Java并发：CopyOnWriteArrayList实现原理及源码分析

CopyOnWriteArrayList实现原理及源码分析

CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器，它是个线程安全且读操作无锁的ArrayList，写操作则通过创建底层数组的新副本来实现，是一种读写分离的并发策略，我们也可以称这种容器为”写时复制器”，Java并发包中类似的容器还有CopyOnWriteSet。本文会对CopyOnWriteArrayList的实现原理及源码进行分析。

实现原理

我们都知道，集合框架中的ArrayList是非线程安全的，Vector虽是线程安全的，但由于简单粗暴的锁同步机制，性能较差。而CopyOnWriteArrayList则提供了另一种不同的并发处理策略（当然是针对特定的并发场景）。

很多时候，我们的系统应对的都是读多写少的并发场景。CopyOnWriteArrayList容器允许并发读，读操作是无锁的，性能较高。至于写操作，比如向容器中添加一个元素，则首先将当前容器复制一份，然后在新副本上执行写操作，结束之后再将原容器的引用指向新容器。

优缺点分析

了解了CopyOnWriteArrayList的实现原理，分析它的优缺点及使用场景就很容易了。

优点

读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。Java的list在遍历时，若中途有别的线程对list容器进行修改，则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其”读写分离”的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的list容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了

缺点

缺点也很明显，一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC；二是无法保证实时性，Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因，写和读分别作用在新老不同容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。

源码分析

基本原理了解了，CopyOnWriteArrayList的代码实现看起来就很容易理解了。

public boolean add(E e) {

//ReentrantLock加锁，保证线程安全

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

Object[] elements = getArray();

int len = elements.length;

//拷贝原容器，长度为原容器长度加一

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

//在新副本上执行添加操作

newElements[len] = e;

//将原容器引用指向新副本

setArray(newElements);

return true;

} finally {

//解锁

lock.unlock();

}

}

添加的逻辑很简单，先将原容器copy一份，然后在新副本上执行写操作，之后再切换引用。当然此过程是要加锁的。

删除操作

public E remove(int index) {
 //加锁
 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)
 //如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用
 setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
 else {
 //否则，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用
 Object[] newElements = new Object[len - 1];
 System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
 System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
 numMoved);
 setArray(newElements);
 }
 return oldValue;
 } finally {
 //解锁
 lock.unlock();
 }
 }

删除操作同理，将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，然后切换引用，将原容器引用指向新副本。同属写操作，需要加锁。

我们再来看看读操作，CopyOnWriteArrayList的读操作是不用加锁的，性能很高。

public E get(int index) {

return get(getArray(), index);

}

直接读取即可，无需加锁

private E get(Object[] a, int index) {
 return (E) a[index];
 }

总结

本文对CopyOnWriteArrayList的实现原理和源码进行了分析，并对CopyOnWriteArrayList的优缺点也进行了分析（Java并发包中还提供了CopyOnWriteSet，原理类似）。其实所谓并发容器的优缺点，无非是取决于我们在面对特定并发场景时，是否能做出相对合理的选择和应用。也希望本文能帮助到有需要的童鞋，共勉。