16.1 什么是CopyOnWrite容器
在说到CopyOnWrite容器之前我们先来谈谈什么是CopyOnWrite机制,CopyOnWrite是计算机设计领域中的一种优化策略,也是一种在并发场景下常用的设计思想——写入时复制思想。
那什么是写入时复制思想呢?就是当有多个调用者同时去请求一个资源数据的时候,有一个调用者出于某些原因需要对当前的数据源进行修改,这个时候系统将会复制一个当前数据源的副本给调用者修改。
CopyOnWrite容器即写时复制的容器,当我们往一个容器中添加元素的时候,不直接往容器中添加,而是将当前容器进行copy,复制出来一个新的容器,然后向新容器中添加我们需要的元素,最后将原容器的引用指向新容器。
这样做的好处在于,我们可以在并发的场景下对容器进行“读操作”而不需要“加锁”,从而达到读写分离的目的。从JDK 1.5 开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器 ,分别是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet 。我们着重给大家介绍一下CopyOnWriteArrayList。
16.2 CopyOnWriteArrayList
- 优点: CopyOnWriteArrayList经常被用于“读多写少”的并发场景,是因为CopyOnWriteArrayList无需任何同步措施,大大增强了读的性能。在Java中遍历线程非安全的List(如:ArrayList和 LinkedList)的时候,若中途有别的线程对List容器进行修改,那么会抛出ConcurrentModificationException异常。CopyOnWriteArrayList由于其“读写分离”,遍历和修改操作分别作用在不同的List容器,所以在使用迭代器遍历的时候,则不会抛出异常。
- 缺点: 第一个缺点是CopyOnWriteArrayList每次执行写操作都会将原容器进行拷贝了一份,数据量大的时候,内存会存在较大的压力,可能会引起频繁Full GC(ZGC因为没有使用Full GC)。比如这些对象占用的内存比较大200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会多占用300M。
第二个缺点是CopyOnWriteArrayList由于实现的原因,写和读分别作用在不同新老容器上,在写操作执行过程中,读不会阻塞,但读取到的却是老容器的数据。
现在我们来看一下CopyOnWriteArrayList的add操作源码,它的逻辑很清晰,就是先把原容器进行copy,然后在新的副本上进行“写操作”,最后再切换引用,在此过程中是加了锁的。
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(); } }
我们再来看一下remove操作的源码,remove的逻辑是将要remove元素之外的其他元素拷贝到新的副本中,然后切换引用,再将原容器的引用指向新的副本中,因为remove操作也是“写操作”所以也是要加锁的。
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,将除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(); } }
我们再来看看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。
import java.util.Collection; import java.util.Map; import java.util.Set; public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable { private volatile Map<K, V> internalMap; public CopyOnWriteMap() { internalMap = new HashMap<K, V>(); } public V put(K key, V value) { synchronized (this) { Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); V val = newMap.put(key, value); internalMap = newMap; return val; } } public V get(Object key) { return internalMap.get(key); } public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) { synchronized (this) { Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); newMap.putAll(newData); internalMap = newMap; } } }
上面就是参考CopyOnWriteArrayList实现的CopyOnWriteMap,我们可以用这个容器来做什么呢?结合我们之前说的CopyOnWrite的复制思想,它最适用于“读多写少”的并发场景。
场景:假如我们有一个搜索的网站需要屏蔽一些“关键字”,“黑名单”每晚定时更新,每当用户搜索的时候,“黑名单”中的关键字不会出现在搜索结果当中,并且提示用户敏感字。
// 黑名单服务 public class BlackListServiceImpl { // 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。 private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(1000); public static boolean isBlackList(String id) { return blackListMap.get(id) == null ? false : true; } public static void addBlackList(String id) { blackListMap.put(id, Boolean.TRUE); } /** * 批量添加黑名单 * (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) * @param ids */ public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) { blackListMap.putAll(ids); } }
这里需要各位小伙伴特别特别注意一个问题,此处的场景是每晚凌晨“黑名单”定时更新,原因是CopyOnWrite容器有数据一致性的问题,它只能保证最终数据一致性。
所以如果我们希望写入的数据马上能准确地读取,请不要使用CopyOnWrite容器。
参考资料
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《Java并发编程:并发容器之CopyOnWriteArrayList》