CopyOnWriteArrayList详解

   CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。

  Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet


CopyOnWriteArrayList的实现原理:

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;
    /** The lock protecting all mutators */
    transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();  //ReentrantLock是一个可重入的互斥锁
    /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
    private volatile transient Object[] array; //定义可见性的Object数值,用户存放数据信息。
 /**
     * Gets the array.  Non-private so as to also be accessible
     * from CopyOnWriteArraySet class.
     */
    final Object[] getArray() {
        return array;
    }
    /**
     * Sets the array.
     */
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }
}

CopyOnWriteArrayList Add方法:向ArrayList里添加元素,可以发现在添加的时候是需要加锁的,否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            //获取数组信息
            Object[] elements = getArray();
            //获取数组长度
            int len = elements.length;
            //复制一份新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            // 把新元素添加到新数组里
            newElements[len] = e;
            // 把原数组引用指向新数组
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
  }

读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据,读还是会读到旧的数据,因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

// Positional Access Operations
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }
    /**
     * {@inheritDoc}
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

JDK中并没有提供CopyOnWriteMap,我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个,基本代码如下:

public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
private volatile Map<K, V> internalMap;
    /** The lock protecting all mutators */
    transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
    public CopyOnWriteMap() {
        internalMap = new HashMap<K, V>();
    }
    @Override
    public int size() {
        return internalMap.size();
    }
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return internalMap.isEmpty();
    }
    @Override
    public boolean containsKey(Object key) {
        return internalMap.containsKey(key);
    }
    @Override
    public boolean containsValue(Object value) {
        return internalMap.containsValue(value);
    }
    @Override
    public V get(Object key) {
        return internalMap.get(key);
    }
    @Override
    public V put(K key, V value) {
       final ReentrantLock lock = this.lock;
       lock.lock();
       try {
       Map<K, V> newMap=new HashMap<K, V>(internalMap);
       V val = newMap.put(key, value);
       internalMap=null;
       internalMap = newMap;
       return val;
    } catch (Exception e) {
    }finally {
                lock.unlock();
            }
        return null;
    }
    @Override
    public V remove(Object key) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
    try {
        Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
        V val = newMap.remove(key);
        internalMap = null;
        internalMap = newMap;
        return val;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    }
    @Override
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
    try {
        Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
        newMap.putAll(m);
        internalMap = null;
            internalMap = newMap;
    } finally {
    lock.unlock();
    }
    }
    @Override
    public void clear() {
        internalMap.clear();
    }
    @Override
    public Set<K> keySet() {
        return internalMap.keySet();
    }
    @Override
    public Collection<V> values() {
        return internalMap.values();
    }
    @Override
    public Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet() {
        return internalMap.entrySet();
    }
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteMap<String, String> copyOnWriteMap=new CopyOnWriteMap<String, String>();
        copyOnWriteMap.put("test1", "Java中的Copy-On-Write容器");
        System.out.println(copyOnWriteMap.size());
        System.out.println(copyOnWriteMap.get("test1"));
    }
}

实现很简单,只要了解了CopyOnWrite机制,我们可以实现各种CopyOnWrite容器,并且在不同的应用场景中使用。

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单,黑名单,商品类目的访问和更新场景,假如我们有一个搜索网站,用户在这个网站的搜索框中,输入关键字搜索内容,但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中,黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时,会检查当前关键字在不在黑名单当中,如果在,则提示不能搜索。实现代码如下:

/**
 * 黑名单服务
 *
 * @author fangtengfei
 *
 */
public class BlackListServiceImpl {
    private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
            1000);
    public static boolean isBlackList(String id) {
        return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
    }
    public static void addBlackList(String id) {
        blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
    }
    /**
     * 批量添加黑名单
     *
     * @param ids
     */
    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
        blackListMap.putAll(ids);
    }
}

代码很简单,但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情:

1. 减少扩容开销。根据实际需要,初始化CopyOnWriteMap的大小,避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。

2. 使用批量添加。因为每次添加,容器每次都会进行复制,所以减少添加次数,可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点,但是同时也存在两个问题,即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制,所以在进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,旧的对象和新写入的对象(注意:在复制的时候只是复制容器里的引用,只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里,而旧容器的对象还在使用,所以有两份对象内存)。如果这些对象占用的内存比较大,比如说200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会占用300M,那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象,造成了每晚15秒的Full GC,应用响应时间也随之变长。

针对内存占用问题,可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗,比如,如果元素全是10进制的数字,可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器,而使用其他的并发容器,如ConcurrentHashMap。

数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。

参考链接:

http://ifeve.com/java-copy-on-write/

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