CopyOnWriteArrayList 使用介绍

一、背景

1.1 线程安全问题复现

如果我们想把一系列执行结果放到 List 集合中，可能会这样实现：

List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    // 处理业务
    list.add(i);
}
1
2
3
4
5

为了提升执行结果，我们可能会用到多线程：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
            10,
            10,
            1,
            TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>(10000),
            r -> new Thread(r, "DemoThread-" + r.hashCode()));

    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        int num = i;
        executor.execute(() -> {
            try {
                // 处理业务
                Thread.sleep(100L);
                list.add(num);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                countDownLatch.countDown();
            }
        });
    }
    countDownLatch.await();
    list.sort(Integer::compareTo);
    list.forEach(System.out::println);
    executor.shutdown();
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

执行结果：

可以看到莫名其妙抛出了 ArrayIndexOutOfBoundsException 异常，而且结果中也出现了null，虽然我们知道 ArrayList<> 是线程不安全的，但是具体是为什么呢？

1.2 问题跟踪

首先看看 ArrayList 类所拥有的部分属性字段：

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    /**
     * 列表元素集合数组
     * 如果新建ArrayList对象时没有指定大小，那么会将EMPTY_ELEMENTDATA赋值给elementData，
     * 并在第一次添加元素时，将列表容量设置为DEFAULT_CAPACITY 
     */
    transient Object[] elementData; 

    /**
     * 列表大小，elementData中存储的元素个数
     */
    private int size;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

通过这两个字段我们可以看出，ArrayList 的实现主要就是用了一个 Object[]，用来保存所有的元素，以及一个 size 变量用来保存当前数组中已经添加了多少元素。

接着我们看下最重要的 add 操作时的源码：

public boolean add(E e) {

    /**
     * 添加一个元素时，做了如下两步操作
     * 1.判断列表的capacity容量是否足够，是否需要扩容
     * 2.真正将元素放在列表的元素数组里面
     */
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

• ensureCapacityInternal() 这个方法的详细代码我们可以暂时不看，它的作用就是判断如果将当前的新元素添加到列表后面，列表的 elementData 数组的大小是否满足，如果 size+1 的这个需求长度大于 elementData 数组的长度，那么就要对这个数组进行扩容。

由此看到 add 元素时，实际做了两个大的步骤：

1. 判断 elementData 数组容量是否满足需求；
2. 在 elementData 对应的位置上设置值。

针对这两个步骤，就出现了两个导致线程不安全的隐患。

线程安全隐患一：数组越界

在第1步 ensureCapacityInternal(size + 1) 中，如果多个线程进行调用可能会导致 elementData 数组越界，具体逻辑如下：

1. 列表大小为9，即：size=9。

2. 线程 A 开始进入 add 方法，这时它获取到 size 的值为 9，调用 ensureCapacityInternal 方法进行容量判断。
3. 线程 B 此时也进入 add 方法，它获取到 size 的值也为 9，也开始调用 ensureCapacityInternal 方法。

4. 线程 A 发现需求大小为 10，而 elementData 的大小就为 10，可以容纳。于是它不再扩容，返回。
5. 线程 B 也发现需求大小为 10，也可以容纳，返回。

6. 线程 A 开始进行设置值操作，elementData[size++]=e 操作，此时 size 变为 10。
7. 线程 B 也开始进行设置值操作，它尝试设置 elementData[10]=e，而 elementData 没有进行过扩容，它的下表最大为9。于是此时会爆出一个数组越界的异常 ArrayIndexOutOfBoundsException。

线程安全隐患二：值为null

第二步 elementData[size++]=e 设置值的操作同样会导致线程不安全。从这里可以看出，这部操作也不是一个原子操作，它由如下两步操作构成：

1. elementData[size] = e;
2. size = size + 1;

在单线程执行这两行代码时，没有任何问题，但是当多线程环境下执行时，可能就会发生一个线程的值覆盖另一个线程添加的值，具体逻辑如下：

1. 列表大小为0，即：size=0。

2. 线程 A 开始添加一个元素，值为 A，此时它执行第一条操作，将 A 放在了 elementData 下表为 0 的位置上。

3. 接着，线程 B 刚好也要开始添加一个值为 B 的元素，且走到了第一步操作。此时线程 B 获取到 size 的值依然为 0，于是它将 B 也放在了 elementData 下标为 0 的位置上。
4. 线程 A 开始将 size 的值增加为 1。
5. 线程 B 开始将 size 的值增加为 2。

这样，线程 A、B 执行完毕后，

• 理想情况下：size=2，elementData[0]=A，elementData[1]=B。
• 而实际情况变成了：size=2，elementData[0]=B，elementData[1]=null。

因为线程 A、B 执行完毕后，size=2，所以下一个线程添加元素时，会从下标为 2 的位置上开始：elementData[2]=C。

那么如何解决 ArrayList 的线程安全问题呢？这时候就需要我们的主角 CopyOnWriteArrayList 登场了。

---

二、定义

2.1 什么是 CopyOnWriteArrayList？

CopyOnWriteArrayList：是 JDK 在并发包（java.util.concurrent）下的一个类，它是 ArrayList 的一个线程安全的变体。CopyOnWrite 即 读写分离，读时共享，写时复制，通俗的理解是：当我们往一个 List 添加元素的时候，不直接往当前 List 添加，而是先将当前 List 进行 Copy，复制出一个新的 List，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原 List 的引用指向新的 List。 这种设计使得读操作可以在原数组上进行，而不需要加锁，从而大大提高了读操作的并发性。

2.2 CopyOnWriteArrayList 的优点

1. 线程安全： 由于写操作（修改操作），会导致底层数组的复制，因此可以确保在修改过程中不会被其他现场线程干扰，从而保证了线程安全。
2. 读操作性能高： 由于读操作不需要加锁，因此多个线程可以同时进行读操作，而不会相互阻塞。这使得在高并发场景下，读操作的性能可以得到更好的保障。
3. 适用于读多写少的场景： 如果一个列表大部分时间都被用来读取，而只有少部分时间被用来修改，那么使用 CopyOnWriteArrayList 是一个很好的选择。因为它可以确保在读取时不会受到修改操作的影响，从而提供稳定的读取性能。

2.3 CopyOnWriteArrayList 的缺点

1. 内存占用大： 由于每次修改都会导致底层数组的复制，因此如果列表的大小很大，或者修改操作很频繁，那么就会占用大量的内存空间。这可能会导致频繁的垃圾回收，从而影响系统的整体性能。
2. 数据一致性问题： 由于读取和修改操作是在不同的数组上进行的，因此如果在读取过程中有其他线程进行了修改操作，那么读取到的数据可能不是最新的。也就是说，CopyOnWriteArrayList 只能保证数据的最终一致性，但无法保证数据的实时一致性。
3. 写操作性能较低： 由于每次修改都需要复制整个底层数组，因此写操作的性能会相对较低。特别是在列表大小很大或者修改操作很频繁的情况下，这种性能下降会更加明显。
4. 不支持迭代器修改： CopyOnWriteArrayList 的迭代器不支持对列表的修改操作（如 add、remove 等）。如果在迭代过程中尝试修改列表，会抛出 UnsupportedOperationException 异常。这是因为迭代器在迭代过程中持有的是原始数组的引用，而修改操作会导致底层数组的复制和替换，从而导致迭代器的引用失效。因此，如果需要在迭代过程中修改列表，应该使用其他的数据结构或者采取其他的并发控制措施。

---

三、解决问题

我们再用 CopyOnWriteArrayList 重新实现最开始我们提到的问题：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
            10,
            10,
            1,
            TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>(10000),
            r -> new Thread(r, "DemoThread-" + r.hashCode()));

    CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000);
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        int num = i;
        executor.execute(() -> {
            try {
                // 处理业务
                Thread.sleep(100L);
                list.add(num);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } finally {
                countDownLatch.countDown();
            }
        });
    }
    countDownLatch.await();
    list.forEach(System.out::println);
    executor.shutdown();
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

执行结果：

可以看到，没有报错，没有 null 值，完美~