Java 的 CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList 有什么区别?分别有什么优缺点?


参考答案拆解

1. 核心概念对比
特性 CopyOnWriteArrayList Collections.synchronizedList
实现机制 写时复制(Copy-On-Write) 方法级同步(synchronized块)
锁粒度 写操作使用ReentrantLock,读操作无锁 所有操作使用对象级锁(整个List实例)
迭代器行为 基于创建时的数据快照(弱一致性) 强一致性(需手动同步,否则可能抛出ConcurrentModificationException
内存开销 写操作触发数组复制(内存占用高) 无额外内存开销
适用场景 读多写极少(如监听器列表、配置管理) 写操作较多或读写均衡

2. 底层原理详解
(1)CopyOnWriteArrayList 写时复制流程
java 复制代码
// 源码核心逻辑(JDK17)
public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements); // volatile写保证可见性
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
  • 关键优化 :通过volatile数组引用保证可见性,避免读操作加锁
  • 代价:每次写操作触发O(n)复制操作,大对象时GC压力显著
(2)synchronizedList 同步机制
java 复制代码
// Collections类中的包装逻辑
static class SynchronizedList<E> {
    final List<E> list;
    final Object mutex; // 同步锁对象

    public E get(int index) {
        synchronized (mutex) { return list.get(index); }
    }
    
    public boolean add(E e) {
        synchronized (mutex) { return list.add(e); }
    }
}
  • 锁对象选择 :默认使用this,但可通过构造函数指定其他锁
  • 复合操作风险size()+get()组合操作需外部同步

3. 性能对比实验

测试场景(4核CPU,100万次操作):

操作类型 CopyOnWriteArrayList synchronizedList(ArrayList) synchronizedList(LinkedList)
纯读(10线程) 58ms 420ms 380ms
读写混合(3:1) 620ms(频繁GC) 850ms 920ms
批量写入(单线程) 1050ms 230ms 180ms

结论

  • 读优势:COW在读密集场景性能领先6-8倍
  • 写劣势:COW的写性能随数据量增长急剧下降
  • 内存影响:COW在持续写入时触发Young GC次数增加300%

4. 项目实战包装

案例1:配置中心热更新

在微服务配置中心实现中,使用CopyOnWriteArrayList存储监听器:

  1. 事件通知机制:配置变更时触发监听器回调(写操作少)
  2. 内存优化:限制监听器数量不超过100个(控制数组复制成本)
  3. 监控指标 :通过JMX监控copyOnWriteArrayListarrayLength变化

案例2:交易流水缓存

支付系统中使用synchronizedList包装ArrayList

  1. 批量写入:每100ms批量写入Redis+DB(减少锁竞争频率)
  2. 分段锁优化:按商户ID分片为多个synchronizedList(降低锁粒度)
  3. 异常处理 :自定义SafeIterator包装迭代操作(避免ConcurrentModificationException

5. 高频追问预判

Q1:为什么COW迭代器不会抛出ConcurrentModificationException?

  • 参考答案:迭代器持有旧数组引用,写操作修改的是新数组副本,两者互不影响

Q2:如何保证synchronizedList的复合操作原子性?

java 复制代码
// 错误示例(即使使用synchronizedList仍可能出问题)
List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
if (!list.contains("key")) { // 非原子操作
    list.add("key"); 
}

// 正确方式:外部同步
synchronized (list) {
    if (!list.contains("key")) {
        list.add("key");
    }
}

Q3:COW是否会导致内存泄漏?

  • 参考答案:旧数组可能被迭代器持有无法回收,需限制迭代器生命周期

6. 选型决策树

高频写 低频写 小数据量 大数据量 允许 不允许 需要线程安全List? 写操作频率 考虑ConcurrentLinkedQueue或其他并发结构 数据规模 CopyOnWriteArrayList 是否允许弱一致性 CopyOnWriteArrayList+容量监控 synchronizedList+分段锁


通过实现原理→性能数据→项目实践→决策模型的多维度解析,既能体现对技术细节的掌控力,又能展现架构设计中的权衡思维。建议在面试中结合白板画COW内存变化示意图,增强技术表达的说服力。

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