深入理解CopyOnWriteArrayList源码分析

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CopyOnWriteArrayList简介

CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包下提供的一个线程安全的ArrayList。它通过一个简单的策略来保证线程安全：当我们需要修改列表时（增加、删除、修改等操作），而不是直接对当前的内容进行操作，它会将当前的内容复制一份，在副本上执行修改，然后将原列表指向新的副本。

源码分析与加锁机制

CopyOnWriteArrayList使用了ReentrantLock来实现线程安全的修改操作。下面是一个简化版的源码展示其加锁机制：

private transient volatile Object[] array;
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public boolean add(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);newElements[len] = e;setArray(newElements);return true;} finally {lock.unlock();}
}

如上述代码所示，每一个修改操作都是在加锁的情况下执行的。首先复制当前的数组，然后在副本上执行修改，最后再将原来的数组引用指向新的副本。重要的是，获取数组的当前状态不需要加锁，因为不涉及修改操作。

增删查改实现

增加

如前所示，增加操作首先复制出一个新的数组，然后在新数组的末尾添加新的元素，并将原数组指向这个新数组。

删除

删除操作也是首先复制数组，然后从复制出的新数组中移除指定的元素，完成后，再将原数组指向新数组。

查找

查找操作是CopyOnWriteArrayList中效率最高的操作，因为它可以直接访问底层数组，无需加锁：

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

修改

修改操作和增加、删除操作类似，首先是数组的复制，然后在新数组上修改指定位置的元素值，之后再将原数组指向新数组。

适用场景

CopyOnWriteArrayList适合读多写少的并发场景。由于它的读取操作不需要加锁，可以充分利用硬件和操作系统的优化，如缓存一致性协议，使得读取操作非常高效。而写操作，由于涉及到复制整个数组，所以在数据量大、写操作频繁的场景中性能会相对较低。

问题

内存消耗：由于写操作需要复制整个数组，对于大规模数据的列表，这可能导致相当昂贵的内存消耗。
数据一致性：CopyOnWriteArrayList保证最终一致性而非实时一致性。在写操作发生的同时，读取操作可能仍然读到旧的数据。
迭代器弱一致性：迭代器不会反映出在迭代器创建之后的修改。

迭代器弱一致性举例说明

public static void main(String[] args) {CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();list.add("a");list.add("b");list.add("c");Iterator<String> iterator = list.iterator();// 在迭代进行中对列表进行修改list.add("d");list.remove("b");while (iterator.hasNext()) {System.out.println(iterator.next());}}