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
- 实现了 List 接口
- 内部持有一个 ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
- 底层是用 volatile transient 声明的数组 array
- 读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给 array
「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：
- 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。
- 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。
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