"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 .."

Java 中的写时复制容器

本贴最后更新于 447 天前,其中的信息可能已经时移俗易

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。

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;

        setArray(newElements);       // 把原数组引用指向新数组 很精髓

        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。

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。

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 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。

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。

CopyOnWriteArraySet 简介

它是线程安全的无序的集合,可以将它理解成线程安全的 HashSet。有意思的是,CopyOnWriteArraySet 和 HashSet 虽然都继承于共同的父类 AbstractSet;但是,HashSet 是通过散列表 (HashMap)”实现的,而 CopyOnWriteArraySet 则是通过“动态数组 (CopyOnWriteArrayList)”实现的,并不是散列表。 和 CopyOnWriteArrayList 类似,CopyOnWriteArraySet 具有以下特性: 1. 它最适合于具有以下特征的应用程序:Set 大小通常保持很小,只读操作远多于可变操作,需要在遍历期间防止线程间的冲突。 2. 它是线程安全的。 3. 因为通常需要复制整个基础数组,所以可变操作(add()、set() 和 remove()等等)的开销很大。 4. 迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作,但不支持可变 remove()等 操作。 5. 使用迭代器进行遍历的速度很快,并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时,迭代器依赖于不变的数组快照。 6. CopyOnWriteArraySet 的“线程安全”机制,和 CopyOnWriteArrayList 一样,是通过 volatile 和互斥锁来实现的。

CopyOnWriteArrayList 简介

它相当于线程安全的 ArrayList。和 ArrayList 一样,它是个可变数组;但是和 ArrayList 不同的时,它具有以下特性: 1. 它最适合于具有以下特征的应用程序:List 大小通常保持很小,只读操作远多于可变操作,需要在遍历期间防止线程间的冲突。 2. 它是线程安全的。 3. 因为通常需要复制整个基础数组,所以可变操作(add()、set() 和 remove()等等)的开销很大。 4. 迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作,但不支持可变 remove() 等操作。 5. 使用迭代器进行遍历的速度很快,并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时,迭代器依赖于不变的数组快照。

CopyOnWriteArrayList 原理和数据结构

CopyOnWriteArrayList 的数据结构,如下文所示:

CopyOnWriteArrayList 实现 List 接口 成员 lock reentrantlock volatile array[]:object 说明: 1. CopyOnWriteArrayList 实现了 List 接口,因此它是一个队列。 2. CopyOnWriteArrayList 包含了成员 lock。每一个 CopyOnWriteArrayList 都和一个互斥锁 lock 绑定,通过 lock,实现了对 CopyOnWriteArrayList 的互斥访问。 3. CopyOnWriteArrayList 包含了成员 array 数组,这说明 CopyOnWriteArrayList 本质上通过数组实现的。

下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对 CopyOnWriteArrayList 的原理进行说明。

  1. CopyOnWriteArrayList 的“动态数组”机制 – 它内部有个“volatile 数组”(array) 来保持数据。在“添加 / 修改 / 删除”数据时,都会新建一个数组,并将更新后的数据拷贝到新建的数组中,最后再将该数组赋值给“volatile 数组”。这就是它叫做 CopyOnWriteArrayList 的原因!CopyOnWriteArrayList 就是通过这种方式实现的动态数组;不过正由于它在“添加 / 修改 / 删除”数据时,都会新建数组,所以涉及到修改数据的操作,CopyOnWriteArrayList 效率很 低;但是单单只是进行遍历查找的话,效率比较高。
  2. CopyOnWriteArrayList 的“线程安全”机制 – 是通过 volatile 和互斥锁来实现的。(01) CopyOnWriteArrayList 是通过“volatile 数组”来保存数据的。一个线程读取 volatile 数组时,总能看到其它线程对该 volatile 变量最后的写入;就这样,通过 volatile 提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的 保证。(02) CopyOnWriteArrayList 通过互斥锁来保护数据。在“添加 / 修改 / 删除”数据时,会先“获取互斥锁”,再修改完毕之后,先将数据更新到“volatile 数组”中,然后再“释放互斥锁”;这样,就达到了保护数据的目的。
接下来这几个方法是cowset实现时用到的

不存在则添加元素,可以发是直接新建一个数组,边判断边添加,若发现相同,则返回false,丢弃新建的数组
public boolean addIfAbsent(E e) {
          final ReentrantLock lock = this.lock;
          lock.lock();
          try {
              // Copy while checking if already present.
             // This wins in the most common case where it is not present
              Object[] elements = getArray();
              int len = elements.length;
              Object[] newElements = new Object[len + 1];
              for (int i = 0; i < len; ++i) {
                  if (eq(e, elements[i]))
                      return false; // exit, throwing away copy
                 else
                      newElements[i] = elements[i];
              }
              newElements[len] = e;
             setArray(newElements);
              return true;
         } finally {
              lock.unlock();
         }
     }

将所有不存在的元素加入到list中,index方法在下方
public int addAllAbsent(Collectionextends E> c) {
    Object[] cs = c.toArray();
 if (cs.length == 0)
        return 0;
  Object[] uniq = new Object[cs.length];
 final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lock();
 try {
        Object[] elements = getArray();
 int len = elements.length;
 int added = 0;
 for (int i = 0; i < cs.length; ++i) { // scan for duplicates
  Object e = cs[i];
 if (indexOf(e, elements, 0, len) < 0 &&
                indexOf(e, uniq, 0, added) < 0)
                uniq[added++] = e;
  }
        if (added > 0) {
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + added);
  System.arraycopy(uniq, 0, newElements, len, added);
  setArray(newElements);
  }
        return added;
  } finally {
        lock.unlock();
  }
}

元素查重 重复返回-1
* @param o element to search for
 * @param elements the array
 * @param index first index to search
 * @param fence one past last index to search
 * @return index of element, or -1 if absent
 */private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
 int index, int fence) {
    if (o == null) {
        for (int i = index; i < fence; i++)
            if (elements[i] == null)
                return i;
  } else {
        for (int i = index; i < fence; i++)
            if (o.equals(elements[i]))
                return i;
  }
    return -1;
}

  • B3log

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