多线程（34）CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是 Java 中一个线程安全的 ArrayList 变体，属于 java.util.concurrent 包。它通过在所有修改操作（如 add, set 等）上执行显式复制来实现线程安全。这种设计适用于列表读操作的数量远远大于写操作的场景。

设计原理

CopyOnWriteArrayList 的基本思想是，每当我们要修改列表的时候（添加、删除、设置等），不直接在当前的数组上进行操作，而是先将当前数组复制一份，然后在这个副本上进行修改。修改完成后，再将原来的数组引用指向新数组。这样做的好处是可以避免修改时阻塞读操作，读操作可以安全地访问数组，不需要加锁，因为对它们来说，数组从不改变。

结构解析

CopyOnWriteArrayList 内部维护了一个 volatile 的数组用来存储数据。由于使用了 volatile 关键字，它保证了数组内容的可见性。以下是一个简化的 CopyOnWriteArrayList 类的源码结构（基于 Java 8+），展示了其基本实现：

java 复制代码

// CopyOnWriteArrayList 源码片段（简化版本，基于 Java 8+）
class CopyOnWriteArrayList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable {
    // 确保可见性和禁止指令重排序
    private transient volatile Object[] array;

    // 获取底层数组的方法
    final Object[] getArray() {
        return array;
    }

    // 将数组设置为提供的数组
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }

    // 添加元素的方法
    public boolean add(E e) {
        // 加锁以确保线程安全
        synchronized (this) {
            Object[] es = getArray();
            int len = es.length;
            // 复制出一个新数组
            es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
            // 在新数组上操作
            es[len] = e;
            // 将原数组引用指向新数组
            setArray(es);
            return true;
        }
    }

    // 其他方法省略...
}

代码演示

下面是一个使用 CopyOnWriteArrayList 的简单示例：

java 复制代码

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class CopyOnWriteArrayListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> cowArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 示例：并发添加
        Thread thread1 = new Thread(() -> cowArrayList.add(1));
        Thread thread2 = new Thread(() -> cowArrayList.add(2));

        thread1.start();
        thread2.start();

        // 等待线程结束
        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }

        // 迭代并打印结果
        for (Integer i : cowArrayList) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

总结

CopyOnWriteArrayList 提供了一种避免读写冲突的方法，非常适合读多写少的并发场景。它的优势是在进行遍历操作时不需要锁定，因此可以提高遍历操作的并发性能。但是，由于每次修改都需要复制整个底层数组，所以写操作的成本相对较高，特别是对于数据量大的列表。在选择使用 CopyOnWriteArrayList 之前，需要确保它适合你的应用场景。