什么是CopyOnWrite容器

文件系统特性 – COW事务,文件系统中常用的事务实现方式。写时复制(COW)是维护数据集合的副本和使用相同数据处理多个任务时管理资源的优化技术。
CopyOnWrite容器即写时复制的容器就是COW事务。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 API的定义如下:

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public class CopyOnWriteArrayList<E>
extends Object
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, Serializable

它也属于Java集合框架的一部分,是ArrayList的线程安全的变体,跟ArrayList的不同在于:CopyOnWriteArrayList针对数组的修改操作(add、set等)是基于内部拷贝的一份数据而进行的。换句话说,即使在一个线程进行遍历操作时有其他线程可能进行插入或删除操作,我们也可以“线程安全”得遍历CopyOnWriteArrayList。

使用场景

适合使用在读操作远远大于写操作的场景里

插入(删除)数据的同时进行遍历

CopyOnWriteArrayList的实现原理是,在一个线程开始遍历(创建Iterator对象)时,内部会创建一个“快照”数组,遍历基于这个快照Iterator进行,在遍历过程中这个快照数组不会改变,也就不会抛出ConcurrentModificationException。如果在遍历的过程中有其他线程尝试改变数组的内容,就会拷贝一份新的数据进行变更,而后面再来访问这个数组的线程,看到的就是变更过的数组。
如下:

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import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import static org.assertj.core.api.Assertions.*;
public class CopyOnWriteArrayListExample {
public static void main(String[] args) {
CopyOnWriteArrayList<Integer> numbers = new CopyOnWriteArrayList<>(new Integer[]{1, 3, 5, 78});
Iterator<Integer> iterator = numbers.iterator();
numbers.add(100);
List<Integer> result = new LinkedList<>();
iterator.forEachRemaining(result::add);
assertThat(result).containsOnly(1, 3, 5, 78);
Iterator<Integer> iterator2 = numbers.iterator();
numbers.remove(3);
List<Integer> result2 = new LinkedList<>();
iterator2.forEachRemaining(result2::add);
assertThat(result2).containsOnly(1, 3, 5, 78, 100);
}
}

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。

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public boolean add(T e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 复制出新数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 把新元素添加到新数组里
newElements[len] = e;
// 把原数组引用指向新数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}

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。

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

总结

  • CopyOnWriteArrayList适合使用在读操作远远大于写操作的场景里,比如缓存。发生修改时候做copy,新老版本分离,保证读的高性能,适用于以读为主的情况。

  • 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Yong GC和Full GC。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。

  • 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。