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阿里Java面試官:CopyOnWriteArrayList底層是怎么保證線程安全的?

開發(fā) 前端
CopyOnWriteArrayList是一種線程安全的ArrayList,底層是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn),不過(guò)該數(shù)組使用了volatile關(guān)鍵字修飾。 實(shí)現(xiàn)線程安全的原理是,“人如其名”,就是 Copy On Write(寫時(shí)復(fù)制),意思就是在對(duì)其進(jìn)行修改操作的時(shí)候,復(fù)制一個(gè)新的ArrayList,在新的ArrayList上進(jìn)行修改操作,從而不影響舊的ArrayList的讀操作。

歡迎學(xué)習(xí)解讀Java源碼專欄,在這個(gè)系列中,我將手把手帶著大家剖析Java核心組件的源碼,內(nèi)容包含集合、線程、線程池、并發(fā)、隊(duì)列等,深入了解其背后的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),輕松應(yīng)對(duì)工作面試。

引言

上篇文章提到ArrayList不是線程安全的,而CopyOnWriteArrayList是線程安全的。此刻我就會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)問(wèn)題:

  1. CopyOnWriteArrayList初始容量是多少?
  2. CopyOnWriteArrayList是怎么進(jìn)行擴(kuò)容的?
  3. CopyOnWriteArrayList是怎么保證線程安全的?

帶著這幾個(gè)問(wèn)題,一起分析一下CopyOnWriteArrayList的源碼。

簡(jiǎn)介

CopyOnWriteArrayList是一種線程安全的ArrayList,底層是基于數(shù)組實(shí)現(xiàn),不過(guò)該數(shù)組使用了volatile關(guān)鍵字修飾。 實(shí)現(xiàn)線程安全的原理是,“人如其名”,就是 Copy On Write(寫時(shí)復(fù)制),意思就是在對(duì)其進(jìn)行修改操作的時(shí)候,復(fù)制一個(gè)新的ArrayList,在新的ArrayList上進(jìn)行修改操作,從而不影響舊的ArrayList的讀操作。 看一下源碼中CopyOnWriteArrayList內(nèi)部有哪些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成:

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    // 加鎖,用來(lái)保證線程安全
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 存儲(chǔ)元素的數(shù)組,使用了volatile修飾
    private transient volatile Object[] array;

    // 數(shù)組的get/set方法
    final Object[] getArray() {
        return array;
    }
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }

}

CopyOnWriteArrayList的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,使用ReentrantLock加鎖,用來(lái)保證線程安全。使用數(shù)組存儲(chǔ)元素,數(shù)組使用volatile修飾,用來(lái)保證內(nèi)存可見(jiàn)性。當(dāng)其他線程重新對(duì)數(shù)組對(duì)象進(jìn)行賦值的時(shí)候,當(dāng)前線程可以及時(shí)感知到。

初始化

當(dāng)我們調(diào)用CopyOnWriteArrayList的構(gòu)造方法的時(shí)候,底層邏輯是怎么實(shí)現(xiàn)的?

List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList初始化的時(shí)候,不支持指定數(shù)組長(zhǎng)度,接著往下看,就能明白CopyOnWriteArrayList為什么不支持指定數(shù)組長(zhǎng)度。

public CopyOnWriteArrayList() {
    setArray(new Object[0]);
}

初始化過(guò)程非常簡(jiǎn)單,就是創(chuàng)建了一個(gè)長(zhǎng)度為0的數(shù)組。

添加元素

再看一下往CopyOnWriteArrayList添加元素時(shí),調(diào)用的 add() 方法源碼實(shí)現(xiàn):

// 添加元素
public boolean add(E e) {
    // 加鎖,保證線程安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();

    try {
        // 獲取原數(shù)組
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,長(zhǎng)度原數(shù)組長(zhǎng)度+1,并把原數(shù)組元素拷貝到新數(shù)組里面
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 直接賦值給新數(shù)組末尾位置
        newElements[len] = e;
        // 替換原數(shù)組
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

添加元素的流程:

  1. 先使用ReentrantLock加鎖,保證線程安全。
  2. 再創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,長(zhǎng)度是原數(shù)組長(zhǎng)度+1,并把原數(shù)組元素拷貝到新數(shù)組里面。
  3. 然后在新數(shù)組末尾位置賦值
  4. 使用新數(shù)組替換掉原數(shù)組
  5. 最后釋放鎖

add() 方法添加元素的時(shí)候,并沒(méi)有在原數(shù)組上進(jìn)行賦值,而是創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,在新數(shù)組上賦值后,再用新數(shù)組替換原數(shù)組。這是為了利用volatile關(guān)鍵字的特性,如果直接在原數(shù)組上進(jìn)行修改,其他線程是感知不到的。只有重新對(duì)原數(shù)組對(duì)象進(jìn)行賦值,其他線程才能感知到。 還有一個(gè)需要注意的點(diǎn)是,每次添加元素的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,并涉及數(shù)組拷貝,相當(dāng)于每次都進(jìn)行擴(kuò)容操作。當(dāng)數(shù)組較大,性能消耗較為明顯。所以CopyOnWriteArrayList適用于讀多寫少的場(chǎng)景,如果存在較多的寫操作場(chǎng)景,性能也是一個(gè)需要考慮的因素。

刪除元素

再看一下刪除元素的方法 remove() 的源碼:

// 按照下標(biāo)刪除元素
public E remove(int index) {
    // 加鎖,保證線程安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();

    try {
        // 獲取原數(shù)組
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        // 計(jì)算需要移動(dòng)的元素個(gè)數(shù)
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0) {
            // 0表示刪除的是數(shù)組末尾的元素
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        } else {
            // 創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,長(zhǎng)度是原數(shù)組長(zhǎng)度-1
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            // 把原數(shù)組下標(biāo)前后兩段的元素都拷貝到新數(shù)組里面
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                numMoved);
            // 替換原數(shù)組
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

刪除元素的流程:

  1. 先使用ReentrantLock加鎖,保證線程安全。
  2. 再創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,長(zhǎng)度是原數(shù)組長(zhǎng)度-1,并把原數(shù)組中剩余元素(不包含需要?jiǎng)h除的元素)拷貝到新數(shù)組里面。
  3. 使用新數(shù)組替換掉原數(shù)組
  4. 最后釋放鎖

可以看到,刪除元素的流程與添加元素的流程類似,都是需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,再把舊數(shù)組元素拷貝到新數(shù)組,最后替換舊數(shù)組。區(qū)別就是新數(shù)組的長(zhǎng)度不一樣,刪除元素流程中的新數(shù)組長(zhǎng)度是舊數(shù)組長(zhǎng)度-1,添加元素流程中的新數(shù)組長(zhǎng)度是舊數(shù)組長(zhǎng)度+1。 根據(jù)對(duì)象刪除元素的方法源碼與之類似,也是轉(zhuǎn)換成下標(biāo)刪除,讀者可自行查看。

批量刪除

再看一下批量刪除元素方法 removeAll() 的源碼:

// 批量刪除元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 參數(shù)判空
    if (c == null) {
        throw new NullPointerException();
    }
    // 加鎖,保證線程安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();

    try {
        // 獲取原數(shù)組
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (len != 0) {
            // 創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,長(zhǎng)度暫時(shí)使用原數(shù)組的長(zhǎng)度,因?yàn)椴恢酪獎(jiǎng)h除多少個(gè)元素。
            Object[] temp = new Object[len];
            // newlen表示新數(shù)組中元素個(gè)數(shù)
            int newlen = 0;
            // 遍歷原數(shù)組,把需要保留的元素放到新數(shù)組中
            for (int i = 0; i < len; ++i) {
                Object element = elements[i];
                if (!c.contains(element)) {
                    temp[newlen++] = element;
                }
            }
            // 如果新數(shù)組沒(méi)有滿,就釋放空白位置,并覆蓋原數(shù)組
            if (newlen != len) {
                setArray(Arrays.copyOf(temp, newlen));
                return true;
            }
        }
        return false;
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

批量刪除元素的流程,與上面類似:

  1. 先使用ReentrantLock加鎖,保證線程安全。
  2. 再創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,長(zhǎng)度暫時(shí)使用原數(shù)組的長(zhǎng)度,因?yàn)椴恢酪獎(jiǎng)h除多少個(gè)元素。
  3. 然后遍歷原數(shù)組,把需要保留的元素放到新數(shù)組中。
  4. 釋放掉新數(shù)組中空白位置,再使用新數(shù)組替換掉原數(shù)組。
  5. 最后釋放鎖

如果遇到需要一次刪除多個(gè)元素的場(chǎng)景,盡量使用 removeAll() 方法,因?yàn)?nbsp;removeAll() 方法只涉及一次數(shù)組拷貝,性能比單個(gè)刪除元素更好。

并發(fā)修改問(wèn)題

當(dāng)遍歷CopyOnWriteArrayList的過(guò)程中,同時(shí)增刪CopyOnWriteArrayList中的元素,會(huì)發(fā)生什么情況?測(cè)試一下:

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(2);
        list.add(3);
        // 遍歷ArrayList
        for (Integer key : list) {
            // 判斷如果元素等于2,則刪除
            if (key.equals(2)) {
                list.remove(key);
            }
        }
        System.out.println(list);
    }

}

輸出結(jié)果:

[1, 3]

不但沒(méi)有拋出異常,還把CopyOnWriteArrayList中重復(fù)的元素也都刪除了。 原因是CopyOnWriteArrayList重新實(shí)現(xiàn)迭代器,拷貝了一份原數(shù)組的快照,在快照數(shù)組上進(jìn)行遍歷。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是其他線程對(duì)數(shù)組的并發(fā)修改,不影響對(duì)快照數(shù)組的遍歷,但是遍歷過(guò)程中無(wú)法感知其他線程對(duì)數(shù)組修改,有得必有失。 下面是迭代器的源碼實(shí)現(xiàn):

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    /**
     * 原數(shù)組的快照
     */
    private final Object[] snapshot;
    /**
     * 迭代游標(biāo)
     */
    private int cursor;

    private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
        cursor = initialCursor;
        snapshot = elements;
    }

    public boolean hasNext() {
        return cursor < snapshot.length;
    }

    // 迭代下個(gè)元素
    public E next() {
        if (!hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E)snapshot[cursor++];
    }
}

總結(jié)

現(xiàn)在可以回答文章開頭提出的問(wèn)題了吧:

  1. CopyOnWriteArrayList初始容量是多少?

答案:是0

  1. CopyOnWriteArrayList是怎么進(jìn)行擴(kuò)容的?

答案:

  • 加鎖
  • 創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組,長(zhǎng)度原數(shù)組長(zhǎng)度+1,并把原數(shù)組元素拷貝到新數(shù)組里面。
  • 釋放鎖
  1. CopyOnWriteArrayList是怎么保證線程安全的?

答案:

  • 使用ReentrantLock加鎖,保證操作過(guò)程中線程安全。
  • 使用volatile關(guān)鍵字修飾數(shù)組,保證當(dāng)前線程對(duì)數(shù)組對(duì)象重新賦值后,其他線程可以及時(shí)感知到。
責(zé)任編輯:武曉燕 來(lái)源: 一燈架構(gòu)
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