1忿危、簡(jiǎn)介
Copy-On-Write簡(jiǎn)稱COW，是一種用于程序設(shè)計(jì)中的優(yōu)化策略七扰。其基本思路是奢赂，從一開(kāi)始大家都在共享同一個(gè)內(nèi)容，當(dāng)某個(gè)人想要修改這個(gè)內(nèi)容的時(shí)候颈走，才會(huì)真正把內(nèi)容Copy出去形成一個(gè)新的內(nèi)容然后再改膳灶，這是一種延時(shí)懶惰策略。從JDK1.5開(kāi)始Java并發(fā)包里提供了兩個(gè)使用CopyOnWrite機(jī)制實(shí)現(xiàn)的并發(fā)容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet立由。CopyOnWrite容器非常有用轧钓，可以在非常多的并發(fā)場(chǎng)景中使用到司致。
CopyOnWrite容器即寫時(shí)復(fù)制的容器。通俗的理解是當(dāng)我們往一個(gè)容器添加元素的時(shí)候聋迎，不直接往當(dāng)前容器添加脂矫，而是先將當(dāng)前容器進(jìn)行Copy，復(fù)制出一個(gè)新的容器霉晕，然后新的容器里添加元素庭再，添加完元素之后，再將原容器的引用指向新的容器牺堰。這樣做的好處是我們可以對(duì)CopyOnWrite容器進(jìn)行并發(fā)的讀拄轻，而不需要加鎖，因?yàn)楫?dāng)前容器不會(huì)添加任何元素伟葫。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想恨搓，讀和寫不同的容器。
2筏养、CopyOnWriteArrayList的實(shí)現(xiàn)原理
在使用CopyOnWriteArrayList之前斧抱，我們先閱讀其源碼了解下它是如何實(shí)現(xiàn)的。以下代碼是向ArrayList里添加元素渐溶，可以發(fā)現(xiàn)在添加的時(shí)候是需要加鎖的辉浦，否則多線程寫的時(shí)候會(huì)Copy出N個(gè)副本出來(lái)。
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 復(fù)制出新數(shù)組
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 把新元素添加到新數(shù)組里
newElements[len] = e;
// 把原數(shù)組引用指向新數(shù)組
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
讀的時(shí)候不需要加鎖茎辐，如果讀的時(shí)候有多個(gè)線程正在向ArrayList添加數(shù)據(jù)宪郊，讀還是會(huì)讀到舊的數(shù)據(jù)，因?yàn)閷懙臅r(shí)候不會(huì)鎖住舊的ArrayList拖陆，因?yàn)閿?shù)組對(duì)象是用volatile修飾的弛槐，所以多線程之間，數(shù)組會(huì)進(jìn)行共享依啰，當(dāng)有一個(gè)線程修改了其值乎串，會(huì)立即同步到主存中，當(dāng)下一次再get的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)和上一次get的值不同孔飒，因此讀操作會(huì)發(fā)生臟讀灌闺。
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
我們?cè)賮?lái)看看它的迭代器
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
private final Object[] snapshot;
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = elements;
}
public boolean hasNext() { return cursor < snapshot.length; }
public boolean hasPrevious() { return cursor > 0; }
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
if (! hasNext())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[cursor++];
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E previous() {
if (! hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[--cursor];
}
public int nextIndex() { return cursor; }
public int previousIndex() { return cursor-1; }
public void remove() { throw new UnsupportedOperationException(); }
public void set(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); }
public void add(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); }
}
我們知道ArrayList是非線性安全的集合艰争，它使用迭代器時(shí)有可能會(huì)拋出ConcurrentModificationException坏瞄。而且并發(fā)的時(shí)候進(jìn)行插入操作時(shí)，由于沒(méi)有進(jìn)行同步操作甩卓，容易丟失數(shù)據(jù)鸠匀。
可以看到，在COWIterator的迭代中逾柿，不能直接增刪改缀棍，避免了ConcurrentModificationException宅此。
3、CopyOnWriteArraySet的實(shí)現(xiàn)原理
通過(guò)源碼可以看到爬范，CopyOnWriteArraySet內(nèi)部維護(hù)著一個(gè)CopyOnWriteArrayList父腕，所有的操作都是通過(guò)它去完成的。
private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
/**
* Creates an empty set.
*/
public CopyOnWriteArraySet() {
al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
}
我們主要看看add(E)方法的實(shí)現(xiàn)青瀑，它調(diào)用了CopyOnWriteArrayList的addIfAbsent方法
public boolean addIfAbsent(E e) {
// 當(dāng)前數(shù)組的一個(gè)快照
Object[] snapshot = getArray();
// 如果傳入的元素存在璧亮，直接返回false，否則增加
return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
addIfAbsent(e, snapshot);
}
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
// 傳入的數(shù)組和當(dāng)前數(shù)組不一樣
if (snapshot != current) {
// Optimize for lost race to another addXXX operation
int common = Math.min(snapshot.length, len);
for (int i = 0; i < common; i++)
if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
return false;
if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
return false;
}
// 創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)組斥难，長(zhǎng)度為原數(shù)組長(zhǎng)度+1
Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
4枝嘶、自己實(shí)現(xiàn)CopyOnWriteMap
JDK中并沒(méi)有提供CopyOnWriteMap，我們可以參考CopyOnWriteArrayList來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)哑诊，基本代碼如下：
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;
}
}
}
實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單群扶，只要了解了CopyOnWrite機(jī)制，我們可以實(shí)現(xiàn)各種CopyOnWrite容器镀裤，并且在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中使用竞阐。
5、CopyOnWrite的應(yīng)用場(chǎng)景
CopyOnWrite并發(fā)容器用于讀多寫少的并發(fā)場(chǎng)景暑劝。比如白名單馁菜，黑名單，商品類目的訪問(wèn)和更新場(chǎng)景铃岔，假如我們有一個(gè)搜索網(wǎng)站汪疮，用戶在這個(gè)網(wǎng)站的搜索框中，輸入關(guān)鍵字搜索內(nèi)容毁习，但是某些關(guān)鍵字不允許被搜索智嚷。這些不能被搜索的關(guān)鍵字會(huì)被放在一個(gè)黑名單當(dāng)中，黑名單每天晚上更新一次纺且。當(dāng)用戶搜索時(shí)盏道，會(huì)檢查當(dāng)前關(guān)鍵字在不在黑名單當(dāng)中，如果在载碌，則提示不能搜索猜嘱。實(shí)現(xiàn)代碼如下：
package com.github.book;
import java.util.Map;
import com.github.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
/**
* 黑名單服務(wù)
*/
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);
}
/**
* 批量添加黑名單
*
* @param ids
*/
public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
blackListMap.putAll(ids);
}
}
代碼很簡(jiǎn)單，但是使用CopyOnWriteMap需要注意兩件事情：
- 減少擴(kuò)容開(kāi)銷嫁艇。根據(jù)實(shí)際需要朗伶，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時(shí)CopyOnWriteMap擴(kuò)容的開(kāi)銷步咪。
- 使用批量添加论皆。因?yàn)槊看翁砑樱萜髅看味紩?huì)進(jìn)行復(fù)制，所以減少添加次數(shù)点晴，可以減少容器的復(fù)制次數(shù)感凤。如使用上面代碼里的addBlackList方法。
6粒督、CopyOnWrite的缺點(diǎn)
CopyOnWrite容器有很多優(yōu)點(diǎn)陪竿，但是同時(shí)也存在兩個(gè)問(wèn)題，即內(nèi)存占用問(wèn)題和數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題屠橄。所以在開(kāi)發(fā)的時(shí)候需要注意一下萨惑。
內(nèi)存占用問(wèn)題。因?yàn)镃opyOnWrite的寫時(shí)復(fù)制機(jī)制仇矾，所以在進(jìn)行寫操作的時(shí)候庸蔼，內(nèi)存里會(huì)同時(shí)駐扎兩個(gè)對(duì)象的內(nèi)存，舊的對(duì)象和新寫入的對(duì)象（注意:在復(fù)制的時(shí)候只是復(fù)制容器里的引用贮匕，只是在寫的時(shí)候會(huì)創(chuàng)建新對(duì)象添加到新容器里姐仅，而舊容器的對(duì)象還在使用，所以有兩份對(duì)象內(nèi)存）刻盐。如果這些對(duì)象占用的內(nèi)存比較大掏膏，比如說(shuō)200M左右，那么再寫入100M數(shù)據(jù)進(jìn)去敦锌，內(nèi)存就會(huì)占用300M馒疹，那么這個(gè)時(shí)候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統(tǒng)中使用了一個(gè)服務(wù)由于每晚使用CopyOnWrite機(jī)制更新大對(duì)象乙墙，造成了每晚15秒的Full GC颖变，應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間也隨之變長(zhǎng)。
針對(duì)內(nèi)存占用問(wèn)題听想，可以通過(guò)壓縮容器中的元素的方法來(lái)減少大對(duì)象的內(nèi)存消耗腥刹，比如，如果元素全是10進(jìn)制的數(shù)字汉买，可以考慮把它壓縮成36進(jìn)制或64進(jìn)制衔峰。或者不使用CopyOnWrite容器蛙粘，而使用其他的并發(fā)容器垫卤，如ConcurrentHashMap。
數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題出牧。CopyOnWrite容器只能保證數(shù)據(jù)的最終一致性穴肘，不能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)一致性。所以如果你希望寫入的的數(shù)據(jù)崔列，馬上能讀到梢褐，請(qǐng)不要使用CopyOnWrite容器旺遮。
7赵讯、對(duì)比Collections.synchronizedList
CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是實(shí)現(xiàn)線程安全的列表的兩種方式盈咳。兩種實(shí)現(xiàn)方式分別針對(duì)不同情況有不同的性能表現(xiàn)。
因?yàn)镃opyOnWriteArrayList的寫操作不僅有l(wèi)ock鎖边翼，還在內(nèi)部進(jìn)行了數(shù)組的copy鱼响，所以性能比Collections.synchronizedList要低。
而讀操作CopyOnWriteArrayList直接取的數(shù)組的值组底，Collections.synchronizedList卻有synchronized修飾丈积，所以讀性能CopyOnWriteArrayList略勝一籌。
因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下债鸡，應(yīng)該選擇不同的多線程安全實(shí)現(xiàn)類江滨。
總結(jié)：CopyOnWriteArrayList，發(fā)生修改時(shí)候做copy厌均，新老版本分離唬滑，保證讀的高性能，適用于以讀為主棺弊，讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫操作的場(chǎng)景中使用晶密，比如緩存。而Collections.synchronizedList則可以用在CopyOnWriteArrayList不適用模她，但是有需要同步列表的地方稻艰，讀寫操作都比較均勻的地方。
