高级并发编程系列之什么是CopyOnWriteArrayList

本篇内容介绍了“高级并发编程系列之什么是CopyOnWriteArrayList”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

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1.考考你

在你看具体内容前，让我们一起先思考这么几个问题：

• CopyOnWriteArrayList类名称中，有我们熟悉的ArrayList，那么日常开发使用ArrayList的时候，有什么你需要注意的地方吗？

• CopyOnWrite中文翻译过来，是写时复制，到底什么是写时复制呢？

• 关于写时复制的思想，在什么场景下适合应用，有什么需要注意的地方吗？

带着以上几个问题，让我们一起开始今天的内容吧。

2.案例

2.1.ArrayList踩过的坑

2.1.1.同祖宗，不相忘

CopyOnWriteArrayList类名称中，包含有ArrayList，这表明它们之间具有血缘关系，起源于一个老祖宗，我们先来看类图：

2.1.2.ArrayList不能这么用

通过类图我们看到CopyOnWriteArrayList、ArrayList都实现了相同的接口。为了方便你更好的理解CopyOnWriteArrayList，我们先从ArrayList讲起。

接下来我将通过日常开发中使用ArrayList，我将给你分享需要有意识避开的一些案例。

我们知道ArrayList底层是基于数组数据结构实现，它的特性是：拥有数组的一切特性，且支持动态扩容。那么我们使用ArrayList，其实是把它作为容器来使用，对于容器，你能想到都有哪些常规操作吗？

• 将元素放入容器中

• 更新容器中的某个元素

• 删除容器中的某个元素

• 获取容器中的某个元素

• 循环遍历容器中的元素

以上都是我们在项目中，使用容器时的一些高频操作。对于每个操作，我就不带着你一一演示了，你应该都很熟悉。这里我们重点关注循环遍历容器中的元素这个操作。

我们知道容器的循环遍历操作，可以通过for循环遍历，还可以通过迭代器循环遍历。通过上面的类图，我们知道ArrayList顶层实现了Iterable接口，所以它是支持迭代器操作的，这里迭代器，即应用了迭代器设计模式。关于设计模式的内容，我们暂且不去深究，时间允许的话，我将在下一个系列与你分享我理解的面向对象编程、设计原则、设计思想与设计模式。

接下来我通过ArrayList迭代器遍历过程中，需要留意的一些地方。我们直接上代码（show me the code）：

package com.anan.edu.common.newthread.collection;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

/**
 * 演示ArrayList迭代器遍历时，需要注意的细节
 *
 * @author ThinkPad
 * @version 1.0
 * @date 2020/12/26 10:50
 */
public class ShowMeArrayList {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个ArrayList
        ArrayList list = new ArrayList<>();
        
        // 添加元素
        list.add("zhangsan");
        list.add("lisi");
        list.add("wangwu");

        /*
        * 正常循环迭代输出
        * */
        Iterator iter = list.iterator();
        while(iter.hasNext()){
            System.out.println("当前从容器中获取的人是："+ iter.next());
        }

    }

}

执行结果：

当前从容器中获取的人是：zhangsan
当前从容器中获取的人是：lisi
当前从容器中获取的人是：wangwu

通过创建ArrayList实例，添加三个元素：zhangsan 、lisi、wangwu，并通过迭代器进行遍历输出。这样一来我们就准备好了案例基础案例代码。

接下来我们做一些演化操作：

• 在遍历的过程中，通过ArrayList添加、或者删除集合中的元素

• 在遍历的过程中，通过迭代器Iterator删除集合中的元素

show me code：

/*
* 遍历过程中，通过Iterator实例：删除元素
* 预期结果：正常执行
* */
Iterator iter = list.iterator();
while(iter.hasNext()){
   // 如果当前遍历到lisi，我们将lisi从集合中删除
   String name = iter.next();
   if("lisi".equals(name)){
        iter.remove();// 不会抛出异常   why?
    }
       System.out.println("当前从容器中获取的人是："+ name);
}
System.out.println("删除元素后，集合中还有元素：" + list);  

// 执行结果
当前从容器中获取的人是：zhangsan
当前从容器中获取的人是：lisi
当前从容器中获取的人是：wangwu
删除元素后，集合中还有元素：[zhangsan, wangwu]
 
/******************************************************/    
/*
* 遍历过程中，通过ArrayList实例：添加、或者删除元素
* 预期结果：遍历抛出异常
* */
Iterator iter = list.iterator();
while(iter.hasNext()){
    // 如果当前遍历到lisi，我们向集合中添加：小明
    String name = iter.next();
    if("lisi".equals(name)){
       list.add("小明");// 这行代码后，继续迭代器抛出异常  why?
    }
     System.out.println("当前从容器中获取的人是："+ name);
}

// 执行结果
当前从容器中获取的人是：zhangsan
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
当前从容器中获取的人是：lisi
	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:909)
	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:859)
	at com.anan.edu.common.newthread.collection.ShowMeArrayList.main(ShowMeArrayList.java:31)

2.1.3.背后的逻辑

上面我们通过案例演示了ArrayList在迭代操作的时候，通过迭代器删除元素操作，程序不会抛出异常；通过ArrayList添加、删除，都会引起后续的迭代操作抛出异常。你知道这背后的逻辑吗？

关于这个问题，我从两个角度给你分享：

• 为什么迭代器操作中，不允许向原集合中添加、删除元素？

• ArrayList中，是如何控制迭代操作中，如何检测原集合是否被添加、删除操作过？

为了讲清楚这个问题，我们从图开始（一图胜千言）：

高清楚为什么迭代器操作中，不允许向原集合中添加、删除元素？这个问题后，我们再进一步看ArrayList是如何检测控制，在迭代过程中，原集合有添加、或者删除操作这个问题。

这里我将带你看一下源代码，这也是我建议你应该要经常做的事情，养成看源代码习惯，我们常说：源码之下无秘密。

/*
*ArrayList的迭代器，是一个内部类
*/
/**
* An optimized version of AbstractList.Itr
*/
private class Itr implements Iterator {
    // 迭代器内部游标，标识下一个待遍历元素的数组下标
    int cursor;       // index of next element to return
    // 标识已经迭代的最后一个元素的数组下标
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    
    // 注意：这个变量很重要，它是整个迭代器迭代过程中
    // 标识原集合被添加、删除操作的次数
    // 初始值是集合中的成员变量：modCount（集合被添加、删除操作计数值）
    int expectedModCount = modCount;

   Itr() {}
    ........................
}

/*
*迭代器 hasNext方法
*/
public boolean hasNext() {
    // 简单判断 cursor是否等于 size
    // 相等，则遍历结束
    // 不相等，则继续遍历
   return cursor != size;
}

/*
*迭代器 next方法
*/
public E next() {
  // 关键代码：检查原集合是否被添加、或者删除操作
  // 如果有添加，或者删除操作，那么expectedModCount != modCount
  // 抛出异常
  checkForComodification();
  int i = cursor;
  if (i >= size)
     throw new NoSuchElementException();
  Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
  if (i >= elementData.length)
       throw new ConcurrentModificationException();
  cursor = i + 1;
   return (E) elementData[lastRet = i];
}

/*
*迭代器 checkForComodification方法
*/
final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

通过ArrayList内部类迭代器Itr的源码分析，我们看到迭代器的源码实现非常简答，并且恭喜你！在不知觉中你还学会了迭代器设计模式的实现。

最后我们再通过查看ArrayList中add、remove方法的源码，解惑modCount成员变量的问题：

/*
*ArrayList 的add方法
*/
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
* @param e element to be appended to this list
* @return true (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
  // 注释说了：会将modCount成员变量加1 
  //继续看ensureCapacityInternal方法
  ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
  elementData[size++] = e;
  return true;
}

/*
*ArrayList 的ensureCapacityInternal方法
*重点是ensureExplicitCapacity方法
*/
private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
  // 将modCount变量加1
  modCount++;

  // overflow-conscious code
  if (minCapacity - elementData.length > 0)
      // 扩容操作，留给你去看了
      grow(minCapacity);
}


/*
*ArrayList 的remove方法
*/
/**
* Removes the element at the specified position in this list.
* Shifts any subsequent elements to the left (subtracts one from their
* indices).
*
* @param index the index of the element to be removed
* @return the element that was removed from the list
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
  rangeCheck(index);

  // 将modCount变量加1
  modCount++;
  E oldValue = elementData(index);

  int numMoved = size - index - 1;
  if (numMoved > 0)
     System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
   elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

   return oldValue;
}

通过图、和源码分析的方式，现在你应该可以更好的理解ArrayList、和它的内部迭代器Itr，并且在你的项目中可以很好的使用ArrayList。

这也是我重点想要分享给你的地方：持续学习，做到知其然，且知其所以然，一种专研的精神。年轻人少刷点抖音、快手、少看点直播，这些东西除了消耗掉你的精气神外，不会给你带来任何正向价值的东西。

2.2.CopyOnWriteArrayList详解

2.2.1.CopyOnWriteArrayList初体验

为了方便你理解CopyOnWriteArrayList，我煞费苦心的带你一路分析ArrayList。现在让我们先直观的看一下CopyOnWriteArrayList。还是通过前面的案例，即迭代器迭代过程中，给原集合添加，或者删除元素。

我们通过ArrayList演示案例的时候，你还记得吧，会抛出异常，至于异常的原因在前面的内容中，我带你一起做了专门的分析。如果你不记得了，建议回头再去看一看。

现在我重点通过CopyOnWriteArrayList来演示案例，看在相同的场景下，是否还会抛出异常？你需要重点关心一下这个地方。

show me the code：

package com.anan.edu.common.newthread.collection;

import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

/**
 * 演示CopyOnWriteArrayList迭代器遍历时，需要注意的细节
 *
 * @author ThinkPad
 * @version 1.0
 * @date 2020/12/26 10:50
 */
public class ShowMeCopyOnWriteArrayList {

   public static void main(String[] args) {
     // 创建一个CopyOnWriteArrayList
     CopyOnWriteArrayList list =new CopyOnWriteArrayList<>();

     // 添加元素
     list.add("zhangsan");
     list.add("lisi");
     list.add("wangwu");

     /*
     * 遍历过程中，通过CopyOnWriteArrayList实例：添加、或者删除元素
     * 预期结果：正常执行
     * */
     Iterator iter = list.iterator();
     while(iter.hasNext()){
        // 如果当前遍历到lisi，我们向集合中添加：小明
        String name = iter.next();
        if("lisi".equals(name)){
           list.add("小明");// 不会抛出异常   why?
        }
        System.out.println("当前从容器中获取的人是："+ name);
     }
     System.out.println("添加元素后，集合中还有元素：" + list);

   }

}

执行结果：

当前从容器中获取的人是：zhangsan
当前从容器中获取的人是：lisi
当前从容器中获取的人是：wangwu
添加元素后，集合中还有元素：[zhangsan, lisi, wangwu, 小明]

通过执行结果看到，使用CopyOnWriteArrayList，在迭代器迭代过程中，向原集合中添加了一个新的元素：小明。迭代器继续迭代并不会抛出异常，且最后打印结果显示小明确认已经添加到了集合中。

对于这个结果，你是不是感到多少有点意外！感觉与ArrayList不是一个套路对吧。它到底是如何实现的呢？

2.2.2.写时复制思想

刚才我们通过CopyOnWriteArrayList，与ArrayList做了案例演示的对比，发现它们在执行结果上有很大的不一样。结果差异的本质原因是CopyOnWriteArrayList类名称中的关键字：CopyOnWrite，中文翻译过来是：写时复制。

到底什么是写时复制呢？所谓写时复制，它直观的含义是：

• 我已经有了一个集合A，当需要往集合A中添加一个元素，或者删除一个元素的时候

• 保持A集合不变，从A集合复制一个新的集合B

• 对应向新集合B中添加、或者删除元素，操作完毕后，将A指向新的B集合，即用新的集合，替换旧的集合

   

你看这就是写时复制的思想，理解起来并不困难。这样做有什么好处呢？好处就是当我们通过迭代器访问集合的时候，我们可以同时允许向集合中添加、删除集合元素，有效避免了访问集合（读操作），与更新集合（写操作）的冲突，最大化实现了集合的并发访问性能。

那么关于CopyOnWriteArrayList，它是如何最大化提升并发访问能力呢？它的实现原理并不复杂，既然是并发访问，线程安全的问题不可回避，你应该也想到了，首先加锁是必须的。

除了加锁，还需要考虑提升并发访问的能力，如何提升？实现也很简单，针对写操作加锁，读操作不加锁。这样一来，即最大化提升了并发访问的能力，非常适合应用在读多写少的业务场景。这其实也是我们在项目中，使用CopyOnWriteArrayList的一个主要应用场景。

2.2.3.CopyOnWriteArrayList源码分析

通过前面两个小结，我们已经搞清楚CopyOnWriteArrayList的应用场景，并理解了什么是写时复制的思想。在你的项目中，根据业务需要，我们在进行业务结构设计的时候，可以借鉴写时复制的这一思想，解决实际的业务问题。一定要学会活学活用，至于如何发挥，就留给你了。

接下来我带你一起看一下CopyOnWriteArrayList关键方法的源码实现，进一步加深你对写时复制思想的理解，我们通过两个主要的集合操作来看，分别是：

• 添加集合元素（写操作）：add

/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
  // 写操作，需要加锁
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lock();
  try {
     // 复制原集合，且将新元素添加到复制集合中
     Object[] elements = getArray();
     int len = elements.length;
     Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
     newElements[len] = e;
      
     // 将新的集合，替换原集合
     setArray(newElements);
     return true;
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

• 访问集合元素（读操作）：get

/**
* {@inheritDoc}
*
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
   // 获取集合中的元素，读操作不需要加锁
   return get(getArray(), index);
}

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

通过add、get方法源码，验证了我们前面分析的结论：写操作加锁、读操作不需要加锁。

最后我们以一个问答的形式结束本次分享，写时复制思想适合应用在读多写少的业务场景下，最大化提升集合的并发访问能力。我们说：任何事物都有两面性，你知道它的另一面存在什么局限性吗？

我们直接给出答案，写时复制思想的局限性是：

• 更加消耗空间资源，写操作要从旧的集合，复制得到一个新的集合，即新旧集合同时存在，更占用内存资源

• 另外写操作加锁，读操作不加锁的实现方式，会存在过期读的问题

结合以上两点，当你在项目中应用写时复制思想进行业务架构设计的时候，或者使用CopyOnWriteArrayList的时候，一定要考虑业务上是否能够接受过期读的问题。

“高级并发编程系列之什么是CopyOnWriteArrayList”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注创新互联网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！