通俗易懂的JUC源码剖析-CopyOnWriteArrayList java

前言众所皆知，ArrayList是线程不安全的，它的所有方法都没有加锁，那么有没有线程安全并且性能高的类呢？那就是CopyOnWriteArrayList
实现原理首先来看它的关键数据结构：

/** The lock protecting all mutators */ final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); /** The array, accessed only via getArray/setArray. */ private transient volatile Object[] array;

可以看到，底层和ArrayList一样，用数组来保存元素，但它多了把独占锁lock，来保证线程安全。
下面直接进入主题，看看它的add()方法如何实现的：

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(); } }

代码逻辑很清晰明了：
第一步，获取数组的排他锁
第二步，获取数组元素和长度n，拷贝一个n+1长度的新数组
第三步，把待添加的元素e放在最后一个位置
第四步，覆盖旧的数组，返回true表示添加成功
第五步，释放锁
简而言之，它的实现思路就跟它的命名一样，CopyOnWrite，“写时复制”，添加元素的时候，先复制数组，添加完成后覆盖掉旧的数组，这些步骤是在加锁的环境完成的，也就是说这个过程中不会有其他线程同时也在写数组，这就保证了写操作的线程安全。
【通俗易懂的JUC源码剖析-CopyOnWriteArrayList】再来看set()方法：

public E set(int index, E element) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); E oldValue = https://www.it610.com/article/get(elements, index); // 如果新值与旧值不同，则拷贝一个新数组，并在index处设置新值 if (oldValue != element) { int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len); newElements[index] = element; setArray(newElements); } else { // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics // 新值与旧值相同，为了保证volatile语义，也覆盖下数组，即使内容相同。 setArray(elements); } return oldValue; } finally { lock.unlock(); } }

再来看remove()方法

public E remove(int index) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; E oldValue = https://www.it610.com/article/get(elements, index); int numMoved = len - index - 1; // 如果删除的是最后一个元素 if (numMoved == 0) setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); else { Object[] newElements = new Object[len - 1]; // 分两步复制 System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index); System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved); setArray(newElements); } return oldValue; } finally { lock.unlock(); } }

再来看get()方法：

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

final Object[] getArray() { return array; }

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

可以看到，它的get方法分为2步，先获取数组，再获取index位置的元素，这2步都是没有加锁的？为什么不需要加锁呢？
上面提到，add()是先拷贝原数组，然后在拷贝的数组上操作的，在setArray()之前对原数组并没有影响，因此读的时候不需要加锁。虽然不需要加锁，但会出现数据弱一致性问题,下图说明

线程A	线程B
a = getArray()
	remove(a, index)
get(a, index)

文章图片

在A线程获取了数组(a=array)后，还没有来得及获取index位置的元素a[index]，线程B删除了index位置的元素，并将array引用指向新的数组(array=newArray)，但是由于线程A用的是栈区的数组引用a，它引用的还是删除元素前的数组，因此它还是会访问到index这个被删除的元素，因此说会有数据的弱一致性问题，但不会抛ConcurrentModificationException异常。
它的迭代器iterator也是有这种弱一致性的特性，迭代对象是数组的快照，迭代过程中，如果其他线程修改了数组，对迭代器来说是不可见的。
代码如下：

public Iterator iterator() { return new COWIterator(getArray(), 0); }

// COW = Copy On Write static final class COWIterator implements ListIterator { /** Snapshot of the array */ // 数组元素的一份快照 private final Object[] snapshot; /** Index of element to be returned by subsequent call to next.*/ // 当前迭代的位置-光标 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; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { if (! hasNext()) throw new NoSuchElementException(); return (E) snapshot[cursor++]; } }

由此可以看出，CopyOnWriteArrayList适合用在读多写少的场景，性能会比Vector快，因为Vector的所有方法都加了锁，包括读。
最后提下，CopyOnWriteArraySet就是用CopyOnWriteArrayList实现的，所以原理大同小异，有兴趣的同学自己去看下源码吧。