【java并發容器】并發容器之CopyOnWriteArrayList

原文連結：

　　http://ifeve.com/java-copy-on-write/

　　

　　Copy-On-Write簡稱COW，是一種用于程式設計中的優化政策。其基本思路是，從一開始大家都在共享同一個内容，當某個人想要修改這個内容的時候，才會真正把内容Copy出去形成一個新的内容然後再改，這是一種延時懶惰政策。從JDK1.5開始Java并發包裡提供了兩個使用CopyOnWrite機制實作的并發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并發場景中使用到。

什麼是CopyOnWrite容器

　　CopyOnWrite容器即寫時複制的容器。通俗的了解是當我們往一個容器添加元素的時候，不直接往目前容器添加，而是先将目前容器進行Copy，複制出一個新的容器，然後新的容器裡添加元素，添加完元素之後，再将原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行并發的讀，而不需要加鎖，因為目前容器不會添加任何元素。是以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的實作原理

　　在使用CopyOnWriteArrayList之前，我們先閱讀其源碼了解下它是如何實作的。以下代碼是向CopyOnWriteArrayList中add方法的實作（向CopyOnWriteArrayList裡添加元素），可以發現在添加的時候是需要加鎖的，否則多線程寫的時候會Copy出N個副本出來。

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;

         // 複制出新數組
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

        newElements[len] = e;

        // 把原數組引用指向新數組
        setArray(newElements);

        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}         

讀的時候不需要加鎖，如果讀的時候有多個線程正在向ArrayList添加資料，讀還是會讀到舊的資料，因為寫的時候不會鎖住舊的ArrayList。

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

JDK中并沒有提供CopyOnWriteMap，我們可以參考CopyOnWriteArrayList來實作一個，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;    //修改完，指向新的容器
            return val;
        }
    }
 
    public V get(Object key) {
        return internalMap.get(key);//讀方法不需要加鎖 讀到的是舊資料
    }
 
    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;     //修改完，指向新的容器
        }
    }
}      

實作很簡單，隻要了解了CopyOnWrite機制，我們可以實作各種CopyOnWrite容器，并且在不同的應用場景中使用。

CopyOnWrite的應用場景

　　CopyOnWrite并發容器用于讀多寫少的并發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的通路和更新場景，假如我們有一個搜尋網站，使用者在這個網站的搜尋框中，輸入關鍵字搜尋内容，但是某些關鍵字不允許被搜尋。這些不能被搜尋的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當使用者搜尋時，會檢查目前關鍵字在不在黑名單當中，如果在，則提示不能搜尋。實作代碼如下：

package com.ifeve.book;
 
import java.util.Map;
 
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
 
/**
 * 黑名單服務
 *
 * @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);
    }
 
    /**
     * 批量添加黑名單
     *
     * @param ids
     */
    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
        blackListMap.putAll(ids);
    }
 
}      

　代碼很簡單，但是使用CopyOnWriteMap需要注意兩件事情：

　　1. 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時CopyOnWriteMap擴容的開銷。

　　2. 使用批量添加。因為每次添加，容器每次都會進行複制，是以減少添加次數，可以減少容器的複制次數。如使用上面代碼裡的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺點

　　CopyOnWrite容器有很多優點，但是同時也存在兩個問題，即記憶體占用問題和資料一緻性問題。是以在開發的時候需要注意一下。

　　記憶體占用問題。因為CopyOnWrite的寫時複制機制，是以在進行寫操作的時候，記憶體裡會同時駐紮兩個對象的記憶體，舊的對象和新寫入的對象（注意:在複制的時候隻是複制容器裡的引用，隻是在寫的時候會建立新對象添加到新容器裡，而舊容器的對象還在使用，是以有兩份對象記憶體）。如果這些對象占用的記憶體比較大，比如說200M左右，那麼再寫入100M資料進去，記憶體就會占用300M，那麼這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由于每晚使用CopyOnWrite機制更新大對象，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也随之變長。

　　針對記憶體占用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大對象的記憶體消耗，比如，如果元素全是10進制的數字，可以考慮把它壓縮成36進制或64進制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并發容器，如ConcurrentHashMap。

　　資料一緻性問題。CopyOnWrite容器隻能保證資料的最終一緻性，不能保證資料的實時一緻性。是以如果你希望寫入的的資料，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。

CopyOnWriteArrayList小結：

1. CopyOnWriteArrayList适用于讀多寫少的場景
2. 在并發操作容器對象時不會抛出ConcurrentModificationException，并且傳回的元素與疊代器建立時的元素是一緻的
3. 容器對象的複制需要一定的開銷，如果對象占用記憶體過大，可能造成頻繁的YoungGC和Full GC
4. CopyOnWriteArrayList不能保證資料實時一緻性，隻能保證最終一緻性
5. 在需要并發操作List對象的時候優先使用CopyOnWriteArrayList