J.U.C Review - CopyOnWrite容器

文章目录

• 什么是CopyOnWrite容器
• CopyOnWriteArrayList
• • 优点
  • 缺点
  • 源码示例
• 仿写：CopyOnWriteMap的实现
• 注意事项

什么是CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器是一种实现了写时复制（Copy-On-Write，COW）机制的并发容器。在并发场景中，多个线程可能同时访问同一资源，当某个线程需要修改数据时，系统会创建该数据的副本供其修改，而其他线程仍然可以访问原始数据。这种机制的主要优点是可以在读操作频繁的情况下，避免加锁，从而提高读取性能。

在Java中，从JDK 1.5开始，提供了两个主要的CopyOnWrite容器：CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。这两个容器的设计使得在"读多写少"的场景下，能够有效地提高并发性能。

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CopyOnWriteArrayList

优点

1. 无需同步 ：CopyOnWriteArrayList在进行读取操作时不需要任何同步措施，极大地提高了读取性能。

2. 避免异常 ：在遍历时，即使有其他线程对列表进行修改，也不会抛出ConcurrentModificationException异常，因为读取和写入操作分别作用于不同的容器。

缺点

1. 内存开销：每次写操作都会复制整个容器，导致内存使用增加，可能引发频繁的垃圾回收（GC）问题。

2. 数据一致性问题：由于写操作和读操作作用于不同的容器，读操作可能读取到旧数据，因此不能保证实时一致性。

源码示例

CopyOnWriteArrayList的add和remove方法的实现逻辑如下：

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();
    }
}

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();
        }
    }

再来看看CopyOnWriteArrayList效率最高的读操作的源码

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

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

由上可见"读操作"是没有加锁，直接读取。

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仿写：CopyOnWriteMap的实现

虽然Java并发包中没有提供CopyOnWriteMap，但可以参考CopyOnWriteArrayList实现一个简单的版本。以下是一个基本的实现示例：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V> {
    private volatile Map<K, V> internalMap = new HashMap<>();

    public V put(K key, V value) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<>(internalMap);
            V oldValue = newMap.put(key, value);
            internalMap = newMap;
            return oldValue;
        }
    }

    public V get(Object key) {
        return internalMap.get(key);
    }

    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<>(internalMap);
            newMap.putAll(m);
            internalMap = newMap;
        }
    }
}

CopyOnWriteMap适用于"读多写少"的场景，例如一个搜索网站的黑名单管理系统。黑名单在特定时间更新，而在用户搜索时，系统需要快速检查关键字是否在黑名单中。

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注意事项

使用CopyOnWrite容器时需要注意：

1. 内存开销：应根据实际需求初始化容器的大小，以减少扩容带来的开销。

2. 数据一致性 ：CopyOnWrite容器只能保证最终一致性，不能保证实时一致性，因此不适用于需要立即读取写入数据的场景。