JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

2017/10/20 14:05
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JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList

列表容器常见的有ArrayList和LinkedList,然而两者都是非线程安全的,若应用场景对线程安全有需求,则可以使用CopyOnWriteArrayList来代替传统的Vector

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

I. 存储结构

先看下类中定义的成员变量, 一个数组和一个锁

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

array: 保存了列表中的数据

lock: 修改时加锁,用于保证线程安全

底层数据结构依然是数组,相比较于ArrayList而言,少了一个表示数组长度的size变量,获取列表长度是通过下面的方法

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

留一个问题:

为什么获取链表的长度个ArrayList的使用姿势不同,这样做有什么好处

II. 读取,删除,添加实现逻辑

1. 读取数据

读数据,带两个疑问进行看源码

  • 读取是否加锁

  • 若加锁性能如何保证;若不加锁线程安全如何保证

先看实现源码

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

结果比较清晰

- 读数据不加锁

- 线程安全保障先给个简单的说明,后面内容详细补充

- 数组定义为volatile,确保最新改动对多线程可见

- private transient volatile Object[] array;

2. 删除元素

直接在源码中加上一些注释

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

从删除的实现,可确定以下几点:

  • 修改加锁,确保同一时刻只有一个线程对数组进行修改

  • 修改并不是在原数组上进行的,而是创建一个新的数组,在新的数组上进行操作操作,然后将tables引用指向新的数组

  • 修改必然会涉及到数组内容的拷贝

3. 新增元素

ArrayList新增元素时,可能导致数组扩容;CopyOnWriteArrayList在列表的修改时,采用数组拷贝,在新的数组上进行操作,从这点出发,应该不存在扩容的问题,因为每次修改都会导致数组的重新拷贝

从代码出发,验证上面的观点

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

从实现得出以下几个结论

  • CopyOnWriteArrayList没有数组扩容一说,因为每次修改都会创建一个新的数组

  • 修改加锁,确保只有一个线程对列表进行修改

一个新增的示意图如下

  • 在写线程修改数组时,实际操作的是新的数组,此时读线程依然可以获取数据,读旧数组的内容

  • 新增完毕,则array指向新的数组(通过volatile确保多线程可见)

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

III. 线程安全测试

在List的遍历过程中,新增,删除or修改其中元素值时,会出现什么问题?

先写个测试demo

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

输出结果

index: 1 value: 1index: 2 value: 2index: 3 value: 3----修改完成----index: 4 value: 4index: 5 value: 5index: 6 value: 6index: 7 value: 7index: 8 value: 8index: 9 value: 9[1, 2, 3, 4, 5, 6, 6666, 8, a8]

发现在迭代的过程中,对列表进行修改,是不会影响迭代过程的,遍历的依然是原来的数组;(顺带说一句,如果换成ArrayList会抛并发修改的异常)

探究下原理,主要是因为CopyOnWriteArrayList的迭代器的实现方式

JDK容器学习之CopyOnWriteArrayList:线程安全保障机制

从源码分析可得知

  1. 构造方法,确保迭代器持有一份对数组的引用,后续的迭代是针对这个数组进行的;若在迭代过程中,列表发生修改,使得List的数组引用指向新的数组,也不会改变迭代器中对原数组的引用,所以依然遍历的是旧数组

  2. 因为上面的原则,迭代过程中,不允许对数组进行修改

IV. 对比&小结

List容器中,Vector和CopyOnWriteArrayList都是线程安全的,下面则主要对比下两者的实现逻辑

1. Vector

  • 所有接口都加锁

  • 多线程访问时,导致锁的竞争,导致效率低下

2. CopyOnWriteArrayList

  1. 底层结构:数组

  2. 读取接口,无锁

  3. 修改列表,加锁,确保始终只有一个线程在修改列表内容

  4. 每次修改都会先上锁,然后进行数组拷贝,所以性能较ArrayList低;读取无锁,所以读的性能比Vector高(没有竞争)

  5. 遍历时,是对列表中当前所指向的数组进行遍历,遍历过程中对数组的修改,不会影响遍历的内容

  6. 默认初始容量为0

  7. 修改方式:

  • 将原数组内容拷贝到新的数组,直接修改新数组

  • 然后将新数组赋值给列表的数组引用(array)

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