Copy-on-Write 模式

概述

Copy-on-Write 模式,与其说是一种技术,还不如说是一种思想即写时复制,它在诸多方面都有应用。比如当我们使用 fork() 方法在 linux 中创建子进程时,并不复制整个进程的地址空间,而是让子进程和父进程共享同一个内存空间;只有父进程或者子进程需要写入时,才复制地址空间,让父进程和子进程拥有独立的内存空间。这就是一种典型的 Copy-on-Wirte 模式,也是一种延迟写思想的体现。

这种思想在 Java 的容器的实现上也有着广泛的应用。

在 Java 中的应用

CopyOnWriteArrayList CopyOnWriteArraySet 这两个 Copy-on-Write 容器,它们背后的设计思想就是 Copy-on-Write;通过 Copy-on-Write 这两个容器实现的读操作是无锁的,由于无锁,所以将读操作的性能发挥到了极致。

我们以 CopyOnWriteArrayList 为例,讲讲其内部是如何实现的。

首先我们可以看其 set()get() 方法的实现:

public E get(int index) {
    //直接返回对应位置的值
    return elementAt(getArray(), index);
}

public E set(int index, E element) {
    //加同步锁保证线程安全
    synchronized (lock) {
        Object[] es = getArray();
        E oldValue = elementAt(es, index);
        //设置的值不和原来的值相等,则进行复制操作
        if (oldValue != element) {
            es = es.clone();
            es[index] = element;
        }
        // Ensure volatile write semantics even when oldvalue == element
        setArray(es);
        return oldValue;
    }
}

get() 方法内部比较简单就是直接返回对应位置值,核心实际上是在 set(),首先在执行 set() 方法设置新值时,先和原来的旧值进行判断,如果不同则进行 copy 新的空间。

整个过程用图表示如下:

image.png

CopyOnWriteArrayList 内部维护一个 Array 数组当进行**“读操作”直接迭代即可,当发生写操作的时候,会复制一块新的数据空间,复制完成之后再将数组指针指向新的数组空间。如果在这个过程中发生读操作,则读取的仍然原来的旧数组(快照)**。

通过这种方式可以大大提高**“读的效率”**。

但如果要使用 CopyOnWriteArrayList 有两个注意点:

  1. 要注意应用场景:CopyOnWriteArrayList 仅适用于写操作非常少的场景,而且能够容忍读写的短暂不一致
  2. CopyOnWriteArrayList 迭代器是只读的,不支持增删改。因为迭代器遍历的仅仅是一个快照,而对快照进行增删改是没有意义的。

CopyOnWriteArraySet 内部是借助与 CopyOnWriteArrayList 实现的,只是在 add 的时候调用的是 CopyOnWriteArrayList addIfAbsent() 来实现去重,此处不再详述。

总结

Copy-On-Write 本质上讲是一种延迟复制的思想,在执行读操作的时候,不进行复制,而只有真正执行写操作的时候才进行复制。它的应用也非常广泛,比如 linux 中的 fork() 方法,java 中的 CopyOnWriteArrayList。在使用时要注意其应用场景,因为其每次发生写操作都会复制新的空间,因此它天然适合读多,写少的场景,并且能够忍受一定时间的读写不一致

参考

  1. 《并发容器:都有哪些“坑”需要我们填?》
  • 操作系统
    27 引用 • 54 回帖
  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

    3010 引用 • 8158 回帖 • 549 关注

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