J.U.C Review - CopyOnWrite容器

什么是CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器是一种实现了写时复制（Copy-On-Write，COW）机制的并发容器。在并发场景中，多个线程可能同时访问同一资源，当某个线程需要修改数据时，系统会创建该数据的副本供其修改，而其他线程仍然可以访问原始数据。这种机制的主要优点是可以在读操作频繁的情况下，避免加锁，从而提高读取性能。

在Java中，从JDK 1.5开始，提供了两个主要的CopyOnWrite容器：CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。这两个容器的设计使得在“读多写少”的场景下，能够有效地提高并发性能。

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CopyOnWriteArrayList

优点

1. 无需同步：CopyOnWriteArrayList在进行读取操作时不需要任何同步措施，极大地提高了读取性能。

2. 避免异常：在遍历时，即使有其他线程对列表进行修改，也不会抛出ConcurrentModificationException异常，因为读取和写入操作分别作用于不同的容器。

缺点

1. 内存开销：每次写操作都会复制整个容器，导致内存使用增加，可能引发频繁的垃圾回收（GC）问题。

2. 数据一致性问题：由于写操作和读操作作用于不同的容器，读操作可能读取到旧数据，因此不能保证实时一致性。

源码示例

CopyOnWriteArrayList的add和remove方法的实现逻辑如下：

public boolean add(E e) {// ReentrantLock加锁，保证线程安全final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;// 拷贝原容器，长度为原容器长度加一Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);// 在新副本上执行添加操作newElements[len] = e;// 将原容器引用指向新副本setArray(newElements);return true;} finally {// 解锁lock.unlock();}
}public E remove(int index) {// 加锁final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;E oldValue = get(elements, index);int numMoved = len - index - 1;if (numMoved == 0)// 如果要删除的是列表末端数据，拷贝前len-1个数据到新副本上，再切换引用setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));else {// 否则，将要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中，并切换引用Object[] newElements = new Object[len - 1];System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,numMoved);setArray(newElements);}return oldValue;} finally {// 解锁lock.unlock();}}

再来看看CopyOnWriteArrayList效率最高的读操作的源码

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

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

由上可见“读操作”是没有加锁，直接读取。

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仿写：CopyOnWriteMap的实现

虽然Java并发包中没有提供CopyOnWriteMap，但可以参考CopyOnWriteArrayList实现一个简单的版本。以下是一个基本的实现示例：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V> {private volatile Map<K, V> internalMap = new HashMap<>();public V put(K key, V value) {synchronized (this) {Map<K, V> newMap = new HashMap<>(internalMap);V oldValue = newMap.put(key, value);internalMap = newMap;return oldValue;}}public V get(Object key) {return internalMap.get(key);}public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {synchronized (this) {Map<K, V> newMap = new HashMap<>(internalMap);newMap.putAll(m);internalMap = newMap;}}
}

CopyOnWriteMap适用于“读多写少”的场景，例如一个搜索网站的黑名单管理系统。黑名单在特定时间更新，而在用户搜索时，系统需要快速检查关键字是否在黑名单中。

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注意事项

使用CopyOnWrite容器时需要注意：

1. 内存开销：应根据实际需求初始化容器的大小，以减少扩容带来的开销。

2. 数据一致性：CopyOnWrite容器只能保证最终一致性，不能保证实时一致性，因此不适用于需要立即读取写入数据的场景。