面试:知道 CopyOnWriteArrayList 吗?

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写入时复制(CopyOnWrite)思想

写入时复制(CopyOnWrite,简称 COW)思想是计算机程序设计领域中的一种优化策略。其核心思想是,如果有多个调用者(Callers)同时要求相同的资源(如内存或者是磁盘上的数据存储),他们会共同获取相同的指针指向相同的资源,直到某个调用者视图修改资源内容时,系统才会真正复制一份专用副本(private copy)给该调用者,而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的(transparently)。此做法主要的优点是如果调用者没有修改资源,就不会有副本(private copy)被创建,因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

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 CopyOnWriteArrayList 中 add 方法的实现(向 CopyOnWriteArrayList 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。

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
 */
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();
	}
}

读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向 CopyOnWriteArrayList 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 CopyOnWriteArrayList。

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

JDK 中并没有提供 CopyOnWriteMap,我们可以参考 CopyOnWriteArrayList 来实现一个,基本代码如下:

import java.util.Collection;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
 
public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
    private volatile Map<K, V> internalMap;
 
    public CopyOnWriteMap() {
        internalMap = new HashMap<K, V>();
    }
 
    public V put(K key, V value) {
 
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            V val = newMap.put(key, value);
            internalMap = newMap;
            return val;
        }
    }
 
    public V get(Object key) {
        return internalMap.get(key);
    }
 
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            newMap.putAll(newData);
            internalMap = newMap;
        }
    }
}

实现很简单,只要了解了 CopyOnWrite 机制,我们可以实现各种 CopyOnWrite 容器,并且在不同的应用场景中使用。

几个要点

「注:」

volatile (挥发物、易变的):变量修饰符,只能用来修饰变量。volatile 修饰的成员变量在每次被线程访问时,都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且,当成员变量发生变 化时,强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻,两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

增删改查

1)增

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //复制一个新的数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //插入新值
        newElements[len] = e;
        //将新的数组指向原来的引用
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

   
public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        Object[] newElements;
        int numMoved = len - index;
        if (numMoved == 0)
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        else {
            newElements = new Object[len + 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        }
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

2)删

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0)
            //如果删除的元素是最后一个,直接复制该元素前的所有元素到新的数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            //创建新的数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            //将index+1至最后一个元素向前移动一格
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

3)改

public E set(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        E oldValue = get(elements, index);

        if (oldValue != element) {
            int len = elements.length;
            //创建新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
            //替换元素
            newElements[index] = element;
            //将新数组指向原来的引用
            setArray(newElements);
        } else {
            // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
            setArray(elements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

4)查

//直接获取index对应的元素
public E get(int index) {return get(getArray(), index);}
private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}

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。实现代码如下:

import java.util.Map;
 
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
 
/**
 * 黑名单服务
 *
 * @author fangtengfei
 *
 */
public class BlackListServiceImpl {
 
    private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
            1000);
 
    public static boolean isBlackList(String id) {
        return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
    }
 
    public static void addBlackList(String id) {
        blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
    }
 
    /**
     * 批量添加黑名单
     *
     * @param ids
     */
    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
        blackListMap.putAll(ids);
    }
 
}

代码很简单,但是使用 CopyOnWriteMap 需要注意两件事情:

  1. 减少扩容开销。根据实际需要,初始化 CopyOnWriteMap 的大小,避免写时 CopyOnWriteMap 扩容的开销。
  2. 使用批量添加。因为每次添加,容器每次都会进行复制,所以减少添加次数,可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的 addBlackList 方法。

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。

CopyOnWriteArrayList 为什么并发安全且性能比 Vector 好

我知道 Vector 是增删改查方法都加了 synchronized,保证同步,但是每个方法执行的时候都要去获得锁,性能就会大大下降,而 CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁,但是读不加锁,在读方面的性能就好于 Vector,CopyOnWriteArrayList 支持读多写少的并发情况。

  • 面试

    面试造航母,上班拧螺丝。多面试,少加班。

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