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原創

Java CopyOnWrite容器實現分析

2023-10-27 06:28:55
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CopyOnWrite是一種優化策略，當在并發寫時，通過復制出原內容，在新的內容上讀寫，然后再把新的內容指向原來內容的引用。通過這種策略實現并發時，讀寫互不干涉，類似讀寫分離，來提升性能。
CopyOnWrite容器是寫時復制容器，實現讀無鎖，提高讀的并發性能。 Java目前提供了兩個CopyOnWrite容器，分別為CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet，CopyOnWriteArraySet的實現完全是通過CopyOnWriteArrayList來實現的，它持有一個final的CopyOnWriteArrayList引用，把方法調用都委托給CopyOnWriteArrayList來調用。

下面只研究CopyOnWriteArrayList的實現：

一、CopyOnWriteArrayList的結構

CopyOnWriteArrayList的結構比較簡單，它只包含了兩個成員變量：volatile的array對象數組和ReentrantLock對象。volatile的array引用可以保證修改時對其它線程可見，ReentrantLock鎖主要運用在對數組的寫操作上。

二、主要方法實現分析

1、add的相關方法實現
add有3個方法，一個是直接添加到數組中，一個是添加到數組中的指定位置，還有一個是如果數組中沒有元素時才添加成功的方法，主要是給CopyOnWriteArraySet使用，相關代碼如下：

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public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //加鎖
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            //copy一份新的數組，長度是原來的數組長度+1
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            //把元素添加到新數組的最后位置 
            newElements[len] = e;
            //設置數組引用指向新數組
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void add(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                ", Size: "+len);
            Object[] newElements;
            int numMoved = len - index;
            //如果添加的位置是最后
            if (numMoved == 0)
                newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            else {
                //創建一份長度是原數組長度+1的新數組
                newElements = new Object[len + 1];
                //把原來的數組從0-index復制到新數組中
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                //把原來的數組從index-numMoved復制到新數組中
                System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                         numMoved);
            }
            //把元素添加到新數組的index位置 
            newElements[index] = element;
            setArray(newElements);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
   public boolean addIfAbsent(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // Copy while checking if already present.
            // This wins in the most common case where it is not present
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = new Object[len + 1];
            for (int i = 0; i < len; ++i) {
                if (eq(e, elements[i]))
                    return false; // exit, throwing away copy
                else
                    newElements[i] = elements[i];
            }
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

從上面的代碼可以看出，3者的實現大同小異，主要流程如下：
1).首先加鎖，然后獲取舊數組，復制出一份新數組，然后在新數組上添加元素，最后把對象數組的引用指用新數組；
2).不同的是add(E e)直接把添加的元素添加到新數組的最后位置，而add(int index ,E e)方法在復制舊數組時不同，需要計算出index前后的長度，再復制；addIfAbsent(E e)則是會判斷數組中是否已經存在要添加的元素，如果存在返回false。

2、get方法實現
get方法實現很簡單，直接從array數組引用的下標找到對應的元素返回即可：

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public E get(int index) {
	return (E)(getArray()[index]);
}

其它的方法實現也很簡單，涉及到更新數組的操作都會加鎖和復制新數組。

三、總結

CopyOnWrite是典型的以空間換時間的模型，實現的容器優點和缺點都突出，優點是性能非常高，因為沒有鎖。但存在兩個問題，第一是內存占用會很高，因為在復制出新數組后，舊的數組中的對象并不會馬上銷毀，如果數組很大，且并發更新很高時，搞不好會出現內存溢出。可以通過一些方法壓縮內容，避免這種問題；第二是存在內存一致性問題，雖然最終內存還是一致的，但如果在復制新數組過程中，引用還未指向新數組時，線程訪問會出現讀不到新的元素。

版權聲明：本文內容系天翼云實名用戶自發貢獻，版權歸原作者所有，天翼云開發者社區不擁有其著作權，亦不承擔相應法律責任，未經許可，不得轉載。

如有疑問或爭議，請聯系ctyunbbs@chinatelecom.cn刪除。

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Java CopyOnWrite容器實現分析

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CopyOnWrite是一種優化策略，當在并發寫時，通過復制出原內容，在新的內容上讀寫，然后再把新的內容指向原來內容的引用。通過這種策略實現并發時，讀寫互不干涉，類似讀寫分離，來提升性能。
CopyOnWrite容器是寫時復制容器，實現讀無鎖，提高讀的并發性能。 Java目前提供了兩個CopyOnWrite容器，分別為CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet，CopyOnWriteArraySet的實現完全是通過CopyOnWriteArrayList來實現的，它持有一個final的CopyOnWriteArrayList引用，把方法調用都委托給CopyOnWriteArrayList來調用。

下面只研究CopyOnWriteArrayList的實現：

一、CopyOnWriteArrayList的結構

CopyOnWriteArrayList的結構比較簡單，它只包含了兩個成員變量：volatile的array對象數組和ReentrantLock對象。volatile的array引用可以保證修改時對其它線程可見，ReentrantLock鎖主要運用在對數組的寫操作上。

二、主要方法實現分析

1、add的相關方法實現
add有3個方法，一個是直接添加到數組中，一個是添加到數組中的指定位置，還有一個是如果數組中沒有元素時才添加成功的方法，主要是給CopyOnWriteArraySet使用，相關代碼如下：

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public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //加鎖
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            //copy一份新的數組，長度是原來的數組長度+1
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            //把元素添加到新數組的最后位置 
            newElements[len] = e;
            //設置數組引用指向新數組
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void add(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                ", Size: "+len);
            Object[] newElements;
            int numMoved = len - index;
            //如果添加的位置是最后
            if (numMoved == 0)
                newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            else {
                //創建一份長度是原數組長度+1的新數組
                newElements = new Object[len + 1];
                //把原來的數組從0-index復制到新數組中
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                //把原來的數組從index-numMoved復制到新數組中
                System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                         numMoved);
            }
            //把元素添加到新數組的index位置 
            newElements[index] = element;
            setArray(newElements);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
   public boolean addIfAbsent(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // Copy while checking if already present.
            // This wins in the most common case where it is not present
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = new Object[len + 1];
            for (int i = 0; i < len; ++i) {
                if (eq(e, elements[i]))
                    return false; // exit, throwing away copy
                else
                    newElements[i] = elements[i];
            }
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

從上面的代碼可以看出，3者的實現大同小異，主要流程如下：
1).首先加鎖，然后獲取舊數組，復制出一份新數組，然后在新數組上添加元素，最后把對象數組的引用指用新數組；
2).不同的是add(E e)直接把添加的元素添加到新數組的最后位置，而add(int index ,E e)方法在復制舊數組時不同，需要計算出index前后的長度，再復制；addIfAbsent(E e)則是會判斷數組中是否已經存在要添加的元素，如果存在返回false。

2、get方法實現
get方法實現很簡單，直接從array數組引用的下標找到對應的元素返回即可：

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public E get(int index) {
	return (E)(getArray()[index]);
}

其它的方法實現也很簡單，涉及到更新數組的操作都會加鎖和復制新數組。

三、總結

CopyOnWrite是典型的以空間換時間的模型，實現的容器優點和缺點都突出，優點是性能非常高，因為沒有鎖。但存在兩個問題，第一是內存占用會很高，因為在復制出新數組后，舊的數組中的對象并不會馬上銷毀，如果數組很大，且并發更新很高時，搞不好會出現內存溢出。可以通過一些方法壓縮內容，避免這種問題；第二是存在內存一致性問題，雖然最終內存還是一致的，但如果在復制新數組過程中，引用還未指向新數組時，線程訪問會出現讀不到新的元素。

版權聲明：本文內容系天翼云實名用戶自發貢獻，版權歸原作者所有，天翼云開發者社區不擁有其著作權，亦不承擔相應法律責任，未經許可，不得轉載。

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