Java CopyOnWriteArrayList源碼超詳細分析

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一、概述

CopyOnWriteArrayList是基於寫時復制技術實現的，適用於讀多寫少場景下的線程安全的並發容器。讀操作永遠不會加鎖，讀讀、讀寫都不會沖突，隻有寫寫需要等待。寫操作時，為瞭不影響其它線程的讀取，它會進行一次自我復制，待數據寫入完成後再替換array數組。array數組是被volatile修飾的，它被修改後可以被其他線程立刻發現。

public class copyOnwriteArrayList<E>
implements List<E>,RandomAccess，Cloneable，java.io.Serializable {
//加鎖: ReentrantLock
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock( ) ;
// volatile:保證可見性
private transient volatile object[ ] array;
//獲取數組
final object[] getArray() ireturn array ;
}
//存入數組
final void setArray(object[ ] a) iarray = a;
}
//無參構造方法:初始化數組，容量為日public CopyOnwriteArrayList( ) i
setArray( new object[e]);
}
//有參構造方法:傳入集合
public CopyOnwriteArrayList(collection< ? extends E> c) {
object[] elements;
//判斷傳入的集合是否是CopyOnwriteArrayList類型if (c.getclass() == copyonwriteArrayList.class)
//獲取數組
elements = ((copyOnwriteArrayList<?>)c).getArray();else i
//將集合轉為數組
elements = c.toArray();
// c.toArray might (incorrectly) not return object[] (see 6260652)1/判斷數組是否是object[]
if (elements.getclass() i= object[].class)
//復制數組
elements = Arrays.copyof(elements，elements.length，object[ ].c1
}
setArray(elements) ;
}
setArray(elements ) ;
}

二、類圖

  • 實現瞭RandomAccess接口，代表它支持快速隨機訪問，因為它底層數據結構是數組，支持通過下標快速訪問；
  • 實現瞭Cloneable接口，代表它支持克隆，使用的是淺拷貝模式；
  • 實現瞭List接口，代表它是一個有序的列表容器，支持迭代遍歷等操作。

三、核心方法

1.add()

向容器中添加元素時，需要競爭鎖，同一時刻最多隻有一個線程可以操作。因為是寫時復制，寫入數據時不應該影響其他線程的讀取，因此不會直接在array數組上操作，而是拷貝一個新的數組，元素設置完成後再覆蓋舊數組。

public boolean add(E e) {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
		Object[] elements = getArray();
		int len = elements.length;
		// 拷貝一個長度+1的數組，將元素放到末尾
		Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 填充要追加的元素e
		newElements[len] = e;
        // 覆蓋舊數組
		setArray(newElements);
		return true;
	} finally {
		lock.unlock();
	}
}

2.set()

set方法用來給指定下標設置值，同時會返回舊值。它也是一個寫入操作，因此也需要競爭到鎖才能執行。為瞭不影響其它線程讀取，它會拷貝一個同樣長度的新數組，然後做數據拷貝，在新數組上完成新值的設置，最終再寫回array。

public E set(int index, E element) {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
		Object[] elements = getArray();
		// 先獲取舊元素
		E oldValue = get(elements, index);
		if (oldValue != element) {
			int len = elements.length;
			// 拷貝一個一樣的數組，替換下標元素，並寫入array
			Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
			newElements[index] = element;
			setArray(newElements);
		} else {
			// 即使元素沒有變化，也要寫入array，確保volatile的寫語義
			// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
			setArray(elements);
		}
		return oldValue;
	} finally {
		lock.unlock();
	}
}

3.remove()

remove也是寫操作，隻有競爭到鎖的線程才能執行。它先是取出對應下標的舊元素，然後新建瞭一個原數組長度減1的新數組，完成數據拷貝後，再寫回array，整個過程依然不影響其它線程讀。

public E remove(int index) {
	final ReentrantLock lock = this.lock;
	lock.lock();
	try {
		Object[] elements = getArray();
		int len = elements.length;
		// 要移除的舊元素
		E oldValue = get(elements, index);
		int numMoved = len - index - 1;
		if (numMoved == 0)
			// 刪除的是最後一個元素，直接拷貝一個長度-1的數組寫回array即可
			setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
		else {
			// 刪除的是中間元素，拷貝一個長度-1的數組
			Object[] newElements = new Object[len - 1];
			// 拷貝前半段元素
			System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
			// 拷貝後半段元素
			System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
					numMoved);
			// 寫回array
			setArray(newElements);
		}
		return oldValue;
	} finally {
		lock.unlock();
	}
}

4.get()

通過下標獲取元素，直接從array數組中取。因為是寫時復制的，可能在訪問時已經有新的元素加入，或者有元素被刪除，這是會存在延遲的，不是實時的，這是它的一個缺點。

public E get(int index) {
    // getArray()獲取的就是array
    return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

5.size()

獲取元素的數量直接取數組的長度即可。因為CopyOnWriteArrayList的數組是不可變數組，它始終是一個被填充滿的數組對象，沒有擴容的操作，因此也沒有必要像ArrayList一樣，額外使用一個int size來記錄數量。

public int size() {
    return getArray().length;
}

四、總結

CopyOnWriteArrayList 具有以下特性：

  • 在保證並發讀取的前提下，確保瞭寫入時的線程安全；
  • 由於每次寫入操作時，進行瞭Copy復制原數組，所以無需擴容；
  • 適合讀多寫少的應用場景。由於 add() 、 set() 、 remove() 等修改操作需要復制整 個數組，所以會有內存開銷大的問題；
  • CopyOnWriteArrayList 由於隻在寫入時加鎖，所以隻能保證數據的最終一致性，不能 保證數據的實時一致性。

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