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Java并发容器之CopyOnWriteArrayList（转载）

2018-01-12 16:19 525 查看
　　原文链接：

　　http://ifeve.com/java-copy-on-write/

Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。


什么是CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。


CopyOnWriteArrayList的实现原理

在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向ArrayList里添加元素，可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

01
public
boolean
add(T
e
24000
){
02
final
ReentrantLock
lock=
this
.lock;
03
lock.lock();
04
try
{
05
06
Object[]
elements=getArray();
07
08
int
len
=elements.length;
09
//
复制出新数组
10
11
Object[]
newElements=Arrays.copyOf(elements,len+
1
);
12
//
把新元素添加到新数组里
13
14
newElements[len]
=e;
15
//
把原数组引用指向新数组
16
17
setArray(newElements);
18
19
return
true
;
20
21
}
finally
{
22
23
lock.unlock();
24
25
}
26
27
}
28
29
final
void
setArray(Object[]
a){
30
array
=a;
31
}
读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

1
public
E
get(
int
index)
{
2
return
get(getArray(),
index);
3
}
JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：

01
import
java.util.Collection;
02
import
java.util.Map;
03
import
java.util.Set;
04
05
public
class
CopyOnWriteMap<K,
V>
implements
Map<K,
V>,Cloneable{
06
private
volatile
Map<K,
V>internalMap;
07
08
public
CopyOnWriteMap()
{
09
internalMap
=
new
HashMap<K,
V>();
10
}
11
12
public
V
put(Kkey,Vvalue){
13
14
synchronized
(
this
)
{
15
Map<K,
V>newMap=
new
HashMap<K,
V>(internalMap);
16
V
val=newMap.put(key,value);
17
internalMap
=newMap;
18
return
val;
19
}
20
}
21
22
public
V
get(Objectkey){
23
return
internalMap.get(key);
24
}
25
26
public
void
putAll(Map<?
extends
K,
?
extends
V>
newData){
27
synchronized
(
this
)
{
28
Map<K,
V>newMap=
new
HashMap<K,
V>(internalMap);
29
newMap.putAll(newData);
30
internalMap
=newMap;
31
}
32
}
33
}
实现很简单，只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器，并且在不同的应用场景中使用。

CopyOnWrite的应用场景
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：

01
package
com.ifeve.book;
02
03
import
java.util.Map;
04
05
import
com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
06
07
/**
08
*
黑名单服务
09
*
10
*
@authorfangtengfei
11
*
12
*/
13
public
class
BlackListServiceImpl
{
14
15
private
static
CopyOnWriteMap<String,
Boolean>blackListMap=
new
CopyOnWriteMap<String,
Boolean>(
16
1000
);
17
18
public
static
boolean
isBlackList(String
id){
19
return
blackListMap.get(id)
==
null
?
false
:
true
;
20
}
21
22
public
static
void
addBlackList(String
id){
23
blackListMap.put(id,
Boolean.TRUE);
24
}
25
26
/**
27
*
批量添加黑名单
28
*
29
*
@paramids
30
*/
31
public
static
void
addBlackList(Map<String,Boolean>
ids){
32
blackListMap.putAll(ids);
33
}
34
35
}
代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：

1.减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。

2.使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点
CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的YongGC和FullGC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full
GC，应用响应时间也随之变长。

针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

关于C++的STL中，曾经也有过Copy-On-Write的玩法，参见陈皓的《C++STLString类中的Copy-On-Write》，后来，因为有很多线程安全上的事，就被去掉了。
                                            

                                        

                        
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