JUC (三)—— CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet
2016-08-02 15:10
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一、CopyOnWriteArrayList介绍
它相当于线程安全的ArrayList。和ArrayList一样,它是个可变数组;但是和ArrayList不同的时,它具有以下特性:1. 它最适合于具有以下特征的应用程序:List 大小通常保持很小,只读操作远多于可变操作,需要在遍历期间防止线程间的冲突。
2. 它是线程安全的。
3. 因为通常需要复制整个基础数组,所以可变操作(add()、set() 和 remove() 等等)的开销很大。
4. 迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作,但不支持可变 remove()等操作。
5. 使用迭代器进行遍历的速度很快,并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时,迭代器依赖于不变的数组快照。
二、CopyOnWriteArrayList原理和数据结构
说明:
1. CopyOnWriteArrayList实现了List接口,因此它是一个队列。
2. CopyOnWriteArrayList包含了成员lock。每一个CopyOnWriteArrayList都和一个互斥锁lock绑定,通过lock,实现了对CopyOnWriteArrayList的互斥访问。
3. CopyOnWriteArrayList包含了成员array数组,这说明CopyOnWriteArrayList本质上通过数组实现的。
下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList的原理进行说明。
1. CopyOnWriteArrayList的“动态数组”机制--它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。
在“添加/修改/删除”数据时,都会新建一个数组,并将更新后的数据拷贝到新建的数组中,最后再将该数组赋值给“volatile数组”。这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因!CopyOnWriteArrayList就是通过这种方式实现的动态数组;不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时,都会新建数组,所以涉及到修改数据的操作,CopyOnWriteArrayList效率很低;但是单单只是进行遍历查找的话,效率比较高。
2. CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制 --是通过volatile和互斥锁来实现的。
CopyOnWriteArrayList是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时,总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入;就这样,通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的保证
CopyOnWriteArrayList通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时,会先“获取互斥锁”,再修改完毕之后,先将数据更新到“volatile数组”中,然后再“释放互斥锁”;这样,就达到了保护数据的目的。
三、 CopyOnWriteArrayList源码分析
下面我们从“创建,添加,删除,获取,遍历”这5个方面去分析CopyOnWriteArrayList的原理。1. 创建
public CopyOnWriteArrayList() { setArray(new Object[0]); } public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) { Object[] elements = c.toArray(); if (elements.getClass() != Object[].class) elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class); setArray(elements); } public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) { setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class)); }
三个构造函数均调用了setArray方法:
private volatile transient Object[] array; final Object[] getArray() { return array; } final void setArray(Object[] a) { array = a; }
说明:
setArray()的作用是给array赋值;其中,array是volatile transient Object[]类型,即array是“volatile数组”。
关于volatile关键字,我们知道“volatile能让变量变得可见”,即对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量
最后的写入。正在由于这种特性,每次更新了“volatile数组”之后,其它线程都能看到对它所做的更新。
关于transient关键字,它是在序列化中才起作用,transient变量不会被自动序列化。transient不是本文关注的重点,了解即可。
关于transient的更多内容,请参考:http://blog.csdn.net/luotuomianyang/article/details/51915759
2. 添加
以add(E e)为例,来对“CopyOnWriteArrayList的添加操作”进行说明。下面是add(E e)的代码:public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取“锁” lock.lock(); try { // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。 Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; // 新建一个数组newElements,并将原始数据拷贝到newElements中; // newElements数组的长度=“原始数组的长度”+1 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 将“新增加的元素”保存到newElements中。 newElements[len] = e; // 将newElements赋值给”volatile数组“。 setArray(newElements); return true; } finally { // 释放“锁” lock.unlock(); } }
说明:add(E e)的作用就是将数据e添加到”volatile数组“中。它的实现方式是,新建一个数组,接着将原始的”volatile数组“的数据拷贝到新数组中,然后将新增数据也添加到新数组中;最后,将新数组赋值给”volatile数组“。
在add(E e)中有两点需要关注。
第一,在”添加操作“开始前,获取独占锁(lock),若此时有需要线程要获取锁,则必须等待;在操作完毕后,释放独占锁(lock),此时其它线程才能获取锁。通过独占锁,来防止多线程同时修改数据!lock的定义如下:
transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
关于ReentrantLock的更多内容,可以参考:Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock
第二,操作完毕时,会通过setArray()来更新”volatile数组“。而且,前面我们提过”即对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入“;这样,每次添加元素之后,其它线程都能看到新添加的元素。
3. 获取
以get(int index)为例,来对“CopyOnWriteArrayList的删除操作”进行说明。下面是get(int index)的代码:public E get(int index) { return get(getArray(), index); } private E get(Object[] a, int index) { return (E) a[index]; }
说明:get(int index)的实现很简单,就是返回”volatile数组“中的第index个元素。
4. 删除
以remove(int index)为例,来对“CopyOnWriteArrayList的删除操作”进行说明。下面是remove(int index)的代码:public E remove(int index) { final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取“锁” lock.lock(); try { // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。 Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; // 获取elements数组中的第index个数据。 E oldValue = get(elements, index); int numMoved = len - index - 1; // 如果被删除的是最后一个元素,则直接通过Arrays.copyOf()进行处理,而不需要新建数组。 // 否则,新建数组,然后将”volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中;最后,将新数组赋值给”volatile数组“。 if (numMoved == 0) setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); else { 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 { // 释放“锁” lock.unlock(); } }
说明:remove(int index)的作用就是将”volatile数组“中第index个元素删除。它的实现方式是,如果被删除的是最后一个元素,则直接通过Arrays.copyOf()进行处理,而不需要新建数组。否则,新建数组,然后将”volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中;最后,将新数组赋值给”volatile数组“。
和add(E e)一样,remove(int index)也是”在操作之前,获取独占锁;操作完成之后,释放独占是“;并且”在操作完成时,会通过将数据更新到volatile数组中“。
5. 遍历
以iterator()为例,来对“CopyOnWriteArrayList的遍历操作”进行说明。下面是iterator()的代码:public Iterator<E> iterator() { return new COWIterator<E>(getArray(), 0); }
说明:iterator()会返回COWIterator对象。
COWIterator实现额ListIterator接口,它的源码如下:
private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> { private final Object[] snapshot; private int cursor; private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) { cursor = initialCursor; snapshot = elements; } public boolean hasNext() { return cursor < snapshot.length; } public boolean hasPrevious() { return cursor > 0; } // 获取下一个元素 @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { if (! hasNext()) throw new NoSuchElementException(); return (E) snapshot[cursor++]; } // 获取上一个元素 @SuppressWarnings("unchecked") public E previous() { if (! hasPrevious()) throw new NoSuchElementException(); return (E) snapshot[--cursor]; } public int nextIndex() { return cursor; } public int previousIndex() { return cursor-1; } public void remove() { throw new UnsupportedOperationException(); } public void set(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } public void add(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } }
说明:COWIterator不支持修改元素的操作。例如,对于remove(),set(),add()等操作,COWIterator都会抛出异常!
另外,需要提到的一点是,CopyOnWriteArrayList返回迭代器不会抛出ConcurrentModificationException异常,即它不是fail-fast机制的!
关于fail-fast机制,可以参考“Java 集合系列04之 fail-fast总结(通过ArrayList来说明fail-fast的原理、解决办法)”。
四. 举个例子
import java.util.*; import java.util.concurrent.*; /* * CopyOnWriteArrayList是“线程安全”的动态数组,而ArrayList是非线程安全的。 * * 下面是“多个线程同时操作并且遍历list”的示例 * (01) 当list是CopyOnWriteArrayList对象时,程序能正常运行。 * (02) 当list是ArrayList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。 * * @author skywang */ public class CopyOnWriteArrayListTest1 { // TODO: list是ArrayList对象时,程序会出错。 //private static List<String> list = new ArrayList<String>(); private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>(); public static void main(String[] args) { // 同时启动两个线程对list进行操作! new MyThread("ta").start(); new MyThread("tb").start(); } private static void printAll() { String value = null; Iterator iter = list.iterator(); while(iter.hasNext()) { value = (String)iter.next(); System.out.print(value+", "); } System.out.println(); } private static class MyThread extends Thread { MyThread(String name) { super(name); } @Override public void run() { int i = 0; while (i++ < 6) { // “线程名” + "-" + "序号" String val = Thread.currentThread().getName()+"-"+i; list.add(val); // 通过“Iterator”遍历List。 printAll(); } } } }
某次运行结果
ta-1, tb-1, ta-1, tb-1, ta-1, ta-1, tb-1, tb-1, tb-2, tb-2, ta-1, ta-2, tb-1, ta-1, tb-2, tb-1, ta-2, tb-2, tb-3, ta-2, ta-1, tb-3, tb-1, ta-3, tb-2, ta-1, ta-2, tb-1, tb-3, tb-2, ta-3, ta-2, tb-4, tb-3, ta-1, ta-3, tb-1, tb-4, tb-2, ta-4, ta-2, ta-1, tb-3, tb-1, ta-3, tb-2, tb-4, ta-2, ta-4, tb-3, tb-5, ta-3, ta-1, tb-4, tb-1, ta-4, tb-2, tb-5, ta-2, ta-5, tb-3, ta-1, ta-3, tb-1, tb-4, tb-2, ta-4, ta-2, tb-5, tb-3, ta-5, ta-3, tb-6, tb-4, ta-4, tb-5, ta-5, tb-6, ta-6,
结果说明:如果将源码中的list改成ArrayList对象时,程序会产生ConcurrentModificationException异常。
Q:不太理解为什么add的时候还要创建一个新数组,不能直接操作volatile数组吗?lock已经保证了不会产生写冲突,volatile也保证了add一条记录到volatile数组,其他线程立马可见,那为什么还需要新建一个数组,然后拷贝到volatile数组呢,这不是多次一举么
A:rrayLis每次添加前会调用ensureCapacityInternal(size + 1)方法,判断是不是超出数组长度了,超了就要扩容。而CopyOnWriteArrayList每次扩容都只比原来大一个来填充新加的值,不像Arraylist每次扩大3/2,这样的话每次添加肯定要创建个新的数组,容量比原来的大1。其实是因为,如果直接改,那么读的时候就可以拿到新add的一个元素,但是可能此时还没有set值进去,COW读是没有加锁的,add操作不是原子的。
转自:http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3498483.html
五、CopyOnWriteArraySet
它是线程安全的无序的集合,可以将它理解成线程安全的HashSet。有意思的是,CopyOnWriteArraySet和HashSet虽然都继承于共同的父类AbstractSet;但是,HashSet是通过“散列表(HashMap)”实现的,而CopyOnWriteArraySet则是通过“动态数组(CopyOnWriteArrayList)”实现的,并不是散列表。和CopyOnWriteArrayList类似,CopyOnWriteArraySet具有以下特性:
1. 它最适合于具有以下特征的应用程序:Set 大小通常保持很小,只读操作远多于可变操作,需要在遍历期间防止线程间的冲突。
2. 它是线程安全的。
3. 因为通常需要复制整个基础数组,所以可变操作(add()、set() 和 remove() 等等)的开销很大。
4. 迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作,但不支持可变 remove()等 操作。
5. 使用迭代器进行遍历的速度很快,并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时,迭代器依赖于不变的数组快照。
说明:
1. CopyOnWriteArraySet继承于AbstractSet,这就意味着它是一个集合。
2. CopyOnWriteArraySet包含CopyOnWriteArrayList对象,它是通过CopyOnWriteArrayList实现的。而CopyOnWriteArrayList本质是个动态数组队列,
所以CopyOnWriteArraySet相当于通过通过动态数组实现的“集合”! CopyOnWriteArrayList中允许有重复的元素;但是,CopyOnWriteArraySet是一个集合,所以它不能有重复集合。因此,CopyOnWriteArrayList额外提供了addIfAbsent()和addAllAbsent()这两个添加元素的API,通过这些API来添加元素时,只有当元素不存在时才执行添加操作!
至于CopyOnWriteArraySet的“线程安全”机制,和CopyOnWriteArrayList一样,是通过volatile和互斥锁来实现的。这个在前一章节介绍CopyOnWriteArrayList时数据结构时,已经进行了说明,这里就不再重复叙述了。
CopyOnWriteArraySet是通过CopyOnWriteArrayList实现的,它的API基本上都是通过调用CopyOnWriteArrayList的API来实现的。相信对CopyOnWriteArrayList了解的话,对CopyOnWriteArraySet的了解是水到渠成的事;所以,这里就不再对CopyOnWriteArraySet的代码进行详细的解析了
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