CopyOnWriteArrayList 源码分析

Question

介绍

在 JDK1.5 之前，如果想要使用并发安全的 List 只能选择 Vector 。而 Vector 是一种老旧的集合，已经被淘汰。 Vector 对于增删改查等方法基本都加了 synchronized ，这种方式虽然能够保证同步，但这相当于对整个 Vector 加上了一把大锁，使得每个方法执行的时候都要去获得锁，导致性能非常低下。

JDK1.5 引入了 Java.util.concurrent （JUC）包，其中提供了很多线程安全且并发性能良好的容器，其中唯一的线程安全 List 实现就是 CopyOnWriteArrayList 。关于 java.util.concurrent 包下常见并发容器的总结，可以看我写的这篇文章： Java 常见并发容器总结 。

有什么厉害之处？

对于大部分业务场景来说，读取操作往往是远大于写入操作的。由于读取操作不会对原有数据进行修改，因此，对于每次读取都进行加锁其实是一种资源浪费。相比之下，我们应该允许多个线程同时访问 List 的内部数据，毕竟对于读取操作来说是安全的。

这种思路与 ReentrantReadWriteLock 读写锁的设计思想非常类似，即读读不互斥、读写互斥、写写互斥（只有读读不互斥）。 CopyOnWriteArrayList 更进一步地实现了这一思想。为了将读操作性能发挥到极致， CopyOnWriteArrayList 中的读取操作是完全无需加锁的。更加厉害的是，写入操作也不会阻塞读取操作，只有写写才会互斥。这样一来，读操作的性能就可以大幅度提升。

CopyOnWriteArrayList 线程安全的核心在于其采用了 写时复制（Copy-On-Write） 的策略，从 CopyOnWriteArrayList 的名字就能看出了。

Copy-On-Write 的思想是什么？

CopyOnWriteArrayList 名字中的“Copy-On-Write”即写时复制，简称 COW。

下面是维基百科对 Copy-On-Write 的介绍，介绍的挺不错：

写入时复制（英语：Copy-on-write，简称 COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（callers）同时请求相同资源（如内存或磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者试图修改资源的内容时，系统才会真正复制一份专用副本（private copy）给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的。此作法主要的优点是如果调用者没有修改该资源，就不会有副本（private copy）被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

这里再以 CopyOnWriteArrayList 为例介绍：当需要修改（ add ， set 、 remove 等操作） CopyOnWriteArrayList 的内容时，不会直接修改原数组，而是会先创建底层数组的副本，对副本数组进行修改，修改完之后再将修改后的数组赋值回去，这样就可以保证写操作不会影响读操作了。

可以看出，写时复制机制非常适合读多写少的并发场景，能够极大地提高系统的并发性能。

不过，写时复制机制并不是银弹，其依然存在一些缺点，下面列举几点：

1. 内存占用：每次写操作都需要复制一份原始数据，会占用额外的内存空间，在数据量比较大的情况下，可能会导致内存资源不足。
2. 写操作开销：每一次写操作都需要复制一份原始数据，然后再进行修改和替换，所以写操作的开销相对较大，在写入比较频繁的场景下，性能可能会受到影响。
3. 数据一致性问题：修改操作不会立即反映到最终结果中，还需要等待复制完成，这可能会导致一定的数据一致性问题。
4. ……

源码分析

这里以 JDK1.8 为例，分析一下 CopyOnWriteArrayList 的底层核心源码。

CopyOnWriteArrayList 的类定义如下：

public class CopyOnWriteArrayList<E>
extends Object
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable
{
  //...
}

CopyOnWriteArrayList 实现了以下接口：

• List : 表明它是一个列表，支持添加、删除、查找等操作，并且可以通过下标进行访问。
• RandomAccess ：这是一个标志接口，表明实现这个接口的 List 集合是支持 快速随机访问 的。
• Cloneable ：表明它具有拷贝能力，可以进行深拷贝或浅拷贝操作。
• Serializable : 表明它可以进行序列化操作，也就是可以将对象转换为字节流进行持久化存储或网络传输，非常方便。

初始化

CopyOnWriteArrayList 中有一个无参构造函数和两个有参构造函数。

// 创建一个空的 CopyOnWriteArrayList
public CopyOnWriteArrayList() {
    setArray(new Object[0]);
}

// 按照集合的迭代器返回的顺序创建一个包含指定集合元素的 CopyOnWriteArrayList
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] elements;
    if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
        elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
    else {
        elements = c.toArray();
        // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
        if (elements.getClass() != Object[].class)
            elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
    }
    setArray(elements);
}

// 创建一个包含指定数组的副本的列表
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}

插入元素

CopyOnWriteArrayList 的 add() 方法有三个版本：

• add(E e) ：在 CopyOnWriteArrayList 的尾部插入元素。
• add(int index, E element) ：在 CopyOnWriteArrayList 的指定位置插入元素。
• addIfAbsent(E e) ：如果指定元素不存在，那么添加该元素。如果成功添加元素则返回 true。

这里以 add(E e) 为例进行介绍：

// 插入元素到 CopyOnWriteArrayList 的尾部
public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取原来的数组
        Object[] elements = getArray();
        // 原来数组的长度
        int len = elements.length;
        // 创建一个长度+1 的新数组，并将原来数组的元素复制给新数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 元素放在新数组末尾
        newElements[len] = e;
        // array 指向新数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

从上面的源码可以看出：

• add 方法内部用到了 ReentrantLock 加锁，保证了同步，避免了多线程写的时候会复制出多个副本出来。锁被修饰保证了锁的内存地址肯定不会被修改，并且，释放锁的逻辑放在 finally 中，可以保证锁能被释放。
• CopyOnWriteArrayList 通过复制底层数组的方式实现写操作，即先创建一个新的数组来容纳新添加的元素，然后在新数组中进行写操作，最后将新数组赋值给底层数组的引用，替换掉旧的数组。这也就证明了我们前面说的： CopyOnWriteArrayList 线程安全的核心在于其采用了 写时复制（Copy-On-Write） 的策略。
• 每次写操作都需要通过 Arrays.copyOf 复制底层数组，时间复杂度是 O(n) 的，且会占用额外的内存空间。因此， CopyOnWriteArrayList 适用于读多写少的场景，在写操作不频繁且内存资源充足的情况下，可以提升系统的性能表现。
• CopyOnWriteArrayList 中并没有类似于 ArrayList 的 grow() 方法扩容的操作。

Arrays.copyOf 方法的时间复杂度是 O(n)，其中 n 表示需要复制的数组长度。因为这个方法的实现原理是先创建一个新的数组，然后将源数组中的数据复制到新数组中，最后返回新数组。这个方法会复制整个数组，因此其时间复杂度与数组长度成正比，即 O(n)。值得注意的是，由于底层调用了系统级别的拷贝指令，因此在实际应用中这个方法的性能表现比较优秀，但是也需要注意控制复制的数据量，避免出现内存占用过高的情况。

读取元素

CopyOnWriteArrayList 的读取操作是基于内部数组 array 并没有发生实际的修改，因此在读取操作时不需要进行同步控制和锁操作，可以保证数据的安全性。这种机制下，多个线程可以同时读取列表中的元素。

// 底层数组，只能通过 getArray 和 setArray 方法访问
private transient volatile Object[] array;

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

final Object[] getArray() {
    return array;
}

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

不过， get 方法是弱一致性的，在某些情况下可能读到旧的元素值。

get(int index) 方法是分两步进行的：

1. 通过 getArray() 获取当前数组的引用；
2. 直接从数组中获取下标为 index 的元素。

这个过程并没有加锁，所以在并发环境下可能出现如下情况：

1. 线程 1 调用 get(int index) 方法获取值，内部通过 getArray() 方法获取到了 array 属性值；
2. 线程 2 调用 CopyOnWriteArrayList 的 add 、 set 、 remove 等修改方法时，内部通过 setArray 方法修改了 array 属性的值；
3. 线程 1 还是从旧的 array 数组中取值。

获取列表中元素的个数

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

CopyOnWriteArrayList 中的 array 数组每次复制都刚好能够容纳下所有元素，并不像 ArrayList 那样会预留一定的空间。因此， CopyOnWriteArrayList 中并没有 size 属性 CopyOnWriteArrayList 的底层数组的长度就是元素个数，因此 size() 方法只要返回数组长度就可以了。

删除元素

CopyOnWriteArrayList 删除元素相关的方法一共有 4 个：

1. remove(int index) ：移除此列表中指定位置上的元素。将任何后续元素向左移动（从它们的索引中减去 1）。
2. boolean remove(Object o) ：删除此列表中首次出现的指定元素，如果不存在该元素则返回 false。
3. boolean removeAll(Collection<?> c) ：从此列表中删除指定集合中包含的所有元素。
4. void clear() ：移除此列表中的所有元素。

这里以 remove(int index) 为例进行介绍：

public E remove(int index) {
    // 获取可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
         //获取当前 array 数组
        Object[] elements = getArray();
        // 获取当前 array 长度
        int len = elements.length;
        //获取指定索引的元素（旧值)
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        // 判断删除的是否是最后一个元素
        if (numMoved == 0)
             // 如果删除的是最后一个元素，直接复制该元素前的所有元素到新的数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            // 分段复制，将 index 前的元素和 index+1 后的元素复制到新数组
            // 新数组长度为旧数组长度-1
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            //将新数组赋值给 array 引用
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
         // 解锁
        lock.unlock();
    }
}

判断元素是否存在

CopyOnWriteArrayList 提供了两个用于判断指定元素是否在列表中的方法：

• contains(Object o) ：判断是否包含指定元素。
• containsAll(Collection<?> c) ：判断是否保证指定集合的全部元素。

// 判断是否包含指定元素
public boolean contains(Object o) {
    //获取当前 array 数组
    Object[] elements = getArray();
    //调用 index 尝试查找指定元素，如果返回值大于等于 0，则返回 true，否则返回 false
    return indexOf(o, elements, 0, elements.length) >= 0;
}

// 判断是否保证指定集合的全部元素
public boolean containsAll(Collection<?> c) {
    //获取当前 array 数组
    Object[] elements = getArray();
    //获取数组长度
    int len = elements.length;
    //遍历指定集合
    for (Object e : c) {
        //循环调用 indexOf 方法判断，只要有一个没有包含就直接返回 false
        if (indexOf(e, elements, 0, len) < 0)
            return false;
    }
    //最后表示全部包含或者制定集合为空集合，那么返回 true
    return true;
}

常用方法测试

// 创建一个 CopyOnWriteArrayList 对象
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

// 向列表中添加元素
list.add("Java");
list.add("Python");
list.add("C++");
System.out.println("初始列表：" + list);

// 使用 get 方法获取指定位置的元素
System.out.println("列表第二个元素为：" + list.get(1));

// 使用 remove 方法删除指定元素
boolean result = list.remove("C++");
System.out.println("删除结果：" + result);
System.out.println("列表删除元素后为：" + list);

// 使用 set 方法更新指定位置的元素
list.set(1, "Golang");
System.out.println("列表更新后为：" + list);

// 使用 add 方法在指定位置插入元素
list.add(0, "PHP");
System.out.println("列表插入元素后为：" + list);

// 使用 size 方法获取列表大小
System.out.println("列表大小为：" + list.size());

// 使用 removeAll 方法删除指定集合中所有出现的元素
result = list.removeAll(List.of("Java", "Golang"));
System.out.println("批量删除结果：" + result);
System.out.println("列表批量删除元素后为：" + list);

// 使用 clear 方法清空列表中所有元素
list.clear();
System.out.println("列表清空后为：" + list);

输出：

列表更新后为：[Java, Golang]
列表插入元素后为：[PHP, Java, Golang]
列表大小为：3
批量删除结果：true
列表批量删除元素后为：[PHP]
列表清空后为：[]