【JUC源码】并发容器：CopyOnWriteArrayList 源码分析

旧城等待， 2022-12-10 08:42 182阅读 0赞

CopyOnWriteArrayList 继承关系，核心成员变量及主要构造函数如下：

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    	implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
        
    
    	final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        // volatile 关键字修饰，可见的
        // array 只开放出 get set
        private transient volatile Object[] array;
        
        //--------------------------------构造函数---------------------------------------
        public CopyOnWriteArrayList() {
        
            setArray(new Object[0]);
        }
    
        // 如果是普通的 list ，都会重新拷贝一份，不会影响原来的 list
        public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
        
            Object[] elements;
            if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
                elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
            else {
        
                elements = c.toArray();
                // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
                if (elements.getClass() != Object[].class)
                    elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
            }
            setArray(elements);
        }
    
        public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
        
            setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
        }
    }

从整体架构上来说，CopyOnWriteArrayList 数据结构和 ArrayList 是一致的，底层是个数组；CopyOnWriteArrayList 就是利用 **锁+volatile** 关键字保证了 List 的线程安全

*  加锁：保证同一时刻数组只能被一个线程操作；
 *  volatile：保证数组的内存地址被修改后，其它线程立马能够感知到，所以读取数组时会从**内存中读取**，而不是从线程的缓存中读

> PS：synchronizedList 是对所有的操作都进行了加锁，包括 get，所以 synchronizedList 所有操作都是串行化的；而 CopyOnWriteArrayList 只对写操作进行了加锁，对于读通过 volatile 保证了可见性，所以 CopyOnWriteList 的并发性能更高（支持读读、读写，不支持写写）。

这时候就有一个问题：都已经加锁了，为什么需要拷贝数组，而不是在原来数组上面进行操作呢？

*  volatile 关键字修饰的是数组，如果我们简单的在原来数组上修改其中某几个元素的值，是无法触发可见性的，我们必须通过修改数组的内存地址才行（**setArray**），也就说要对数组进行重新赋值才行。
 *  在新的数组上进行拷贝，对老数组没有任何影响，只有新数组完全拷贝完成之后，外部才能访问到，降低了在赋值过程中，老数组数据变动的影响。

总结一下，CopyOnWriteArrayList 在对数组进行操作的时候，基本会分四步走：

1.  加锁
2.  手动创建一个新数组，或者从原数组中拷贝出新数组（新数组长度=原数组长度+/- n）
3.  在新数组上进行操作，并把新数组赋值给数组容器（触发 volatile）
4.  解锁

## 1.增加 ##

### 尾插：add(E) ###

尾插其实就是创建一个大一位的数组，然后将最后一位设置为新元素

public boolean add(E e) {
        
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 加锁
        lock.lock();
        try {
        
            // 得到所有的原数组
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 拷贝到新数组里面，新数组的长度是 + 1 的，因为新增会多一个元素
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            // 在新数组中进行赋值，新元素直接放在数组的尾部
            newElements[len] = e;
            // 替换掉原来的数组，触发volatile可见性（即其他线程在读取elements时会从内存中读取而不是从自己线程栈的缓存中读）
            setArray(newElements);
            return true;
        // finally 里面释放锁，保证即使 try 发生了异常，仍然能够释放锁   
        } finally {
        
            lock.unlock();
        }
    }

从源码中，我们发现整个 add 过程都是在持有锁的状态下进行的，通过加锁，来保证同一时刻只能有一个线程能够对同一个数组进行 add 操作。

### 指定位置插入：add(int,E) ###

大致流程如下：

1.  索引正确性判断
2.  根据插入位置分成两种情况
    
    1.  插入在数组最后：直接通过Arrays.copyOf创建新数组
    2.  插入在数组中间：先创建新数组，然后分成两部分拷贝
3.  将新元素在 index 位置插入

public void add(int index, E element) {
        
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lock();
            try {
        
            	// 获取到原数组
                Object[] elements = getArray();
                int len = elements.length;
                // 判断索引是否正确，即是否超过数组大小或者小于0
                if (index > len || index < 0)
                    throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+", Size: "+len);
                Object[] newElements;
                // 当插入一个元素，相当于原数组被分成了三部分。这里的numMoved计算的就是第三部分（第二个数组）的大小
                int numMoved = len - index;
                // 如果要插入的位置正好等于数组的末尾，直接拷贝数组即可
                if (numMoved == 0)
                	// 直接通过Arrays.copyOf创建len+1大小的数组（注：此时newElements[len]=null）
                    newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
                // 如果要插入的位置在数组的中间，就需要拷贝 2 次
                else {
        
                	// 首先创建一个 len+1 大小的数组
                    newElements = new Object[len + 1];
                    // 第一次从 0 拷贝到 index，拷贝index个元素
                    System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                    // 第二次从 index+1 拷贝到末尾，拷贝numMoved个元素
                    System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1, numMoved);
                }
                // index 索引位置的值是空的，直接赋值即可。
                newElements[index] = element;
                setArray(newElements);
            } finally {
        
                lock.unlock();
            }
        }

## 2.删除 ##

### 2.1 删除指定位置元素：remove(int) ###

这个方法的过程类似上面的指定位置插入，即也分两种情况删除

1.  要删除的元素在数组最后：直接通过Array.copyOf创建一个小一位的数组
2.  要删除的元素在数组中间：先创建一个小一位的新数组，然后分成两部分拷贝

public E remove(int index) {
        
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        // 加锁
        lock.lock();
        try {
        
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            // 得到原删除位置的元素，作为该方法的 返回值
            E oldValue = get(elements, index);
            // 同上面add的numMoved，numMoved计算的是第三部分（第二个数组）的大小
            // 注：这里还有个-1，代表少拷贝一个元素（待删除元素）
            int numMoved = len - index - 1;
            // 如果要删除的数据正好是数组的尾部，直接删除
            if (numMoved == 0)
            	// 直接通过Array.copyOf方法产生一个小一位的数组
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            // 如果删除的数据在数组的中间，分三步走
            else {
        
                // 1. 设置新数组的长度减一，因为是减少一个元素
                Object[] newElements = new Object[len - 1];
                // 2. 从 0 拷贝到数组新位置
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                // 3. 从新位置拷贝到数组尾部（在拷贝中执行删除的）
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved);
                setArray(newElements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
        
            lock.unlock();
        }
    }

### 2.2 批量删除：removeAll ###

批量删除，类似于 ArrayList 的 removeAll 方法，即都是通过双指针加上一次遍历实现多个元素删除。感兴趣的同志可以参考[【Java容器源码】ArrayList源码分析][Java_ArrayList]。

public boolean removeAll(Collection<?> c) {
        
            if (c == null) throw new NullPointerException();
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lock();
            try {
        
                Object[] elements = getArray();
                int len = elements.length;
                if (len != 0) {
        
                    // 新数组的长度，不是直接通过element.length - c.length，而是在删除过程中++的
                    int newlen = 0;
                    // 创建一个一样的新数组（长度为len）
                    Object[] temp = new Object[len];
                    // 通过双指针完成删除，一个指针是i（负责遍历），一个指针是newLen（负责赋值）
                    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        
                        Object element = elements[i];
                        if (!c.contains(element))
                            temp[newlen++] = element;
                    }
                    // 如果newLen != len，即在原数组中存在要删除元素
                    if (newlen != len) {
        
                    	// 通过Array.copyOf创建一个newLen长的新数组
                        setArray(Arrays.copyOf(temp, newlen));
                        return true;
                    }
                }
                // 如果元素组长度len=0，或者没有要删除的元素（newLen=len），返回false
                return false;
            } finally {
        
                lock.unlock();
            }
        }

我们在需要删除多个元素的时候，最好都使用这种批量删除的思想，而不是采用在 for 循环中使用单个删除的方法，单个删除的话，在每次删除的时候都会进行一次数组拷贝(删除最后一个元素时不会拷贝)，很消耗性能，也耗时，会导致加锁时间太长，并发大的情况下，会造成大量请求在等待锁，这也会占用一定的内存。

### 2.3 根据索引获取元素：indexOf ###

indexOf 方法的主要用处是查找元素在数组中的下标位置，如果元素存在就返回元素的下标位置，元素不存在的话返回 -1，不但支持 null 值的搜索，还支持正向和反向的查找，我们以正向查找为例，通过源码来说明一下其底层的实现方式

// o：我们需要搜索的元素
    // elements：我们搜索的目标数组
    // index：搜索的开始位置
    // fence：搜索的结束位置
    private static int indexOf(Object o, Object[] elements, int index, int fence) {
        
        // 支持对 null 的搜索
        if (o == null) {
        
            for (int i = index; i < fence; i++)
                // 找到第一个 null 值，返回下标索引的位置
                if (elements[i] == null)
                    return i;
        } else {
        
            // 通过 equals 方法来判断元素是否相等
            // 如果相等，返回元素的下标位置
            for (int i = index; i < fence; i++)
                if (o.equals(elements[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

indexOf 方法在 CopyOnWriteArrayList 内部使用也比较广泛，比如在判断元素是否存在时（contains），在删除元素方法中校验元素是否存在时，都会使用到 indexOf 方法，indexOf 方法通过一次 for 循环来查找元素，我们在调用此方法时，需要注意如果找不到元素时，返回的是 -1，所以有可能我们会对这个特殊值进行判断。

## 3.迭代器 ##

关于迭代器其实没什么多说的，迭代思路与ArrayList差不多。这里值得探究的一点是，在 CopyOnWriteArrayList 类注释中，明确说明了，在其迭代过程中，即使数组的原值被改变，也不会抛出 ConcurrentModificationException 异常，其根源在于在**开始迭代时持有的是老数组的引用，而数组的每次变动，都会生成新的数组，不会影响老数组**，这样的话，迭代过程中，根本就不会发生迭代数组的变动，我们截几个图说明一下：

1.  迭代是直接持有原有数组的引用，也就是说迭代过程中，一旦原有数组的值内存地址发生变化，必然会影响到迭代过程，下图源码演示的是 CopyOnWriteArrayList 的迭代方法，我们可以看到迭代器是直接持有原数组的引用：  
    ![5d88354300010c5111460592.png_pic_center][]
2.  我们写了一个 demo，在 CopyOnWriteArrayList 迭代之后，往 CopyOnWriteArrayList 里面新增值，从下图中可以看到在 CopyOnWriteArrayList 迭代之前，数组的内存地址是 962，请记住这个数字：
    
    ![5d8835800001ffca14040700.png_pic_center][]
3.  CopyOnWriteArrayList 迭代之后，我们使用 add(“50”) 代码给数组新增一个数据后，数组内存地址发生了变化，内存地址从原来的 962 变成了 968，这是因为 CopyOnWriteArrayList 的 add 操作，会生成新的数组，所以数组的内存地址发生了变化：
    
    ![5d8835ac0001af7d13980550.png_pic_center][]
4.  迭代继续进行时，我们发现迭代器中的地址仍然是迭代之前引用的地址，是 962，**而不是新的数组的内存地址**：
    
    ![5d8835c20001596615780740.png_pic_center][]

从上面 4 张截图，我们可以得到迭代过程中，即使 CopyOnWriteArrayList 的结构发生变动了，也不会抛出 ConcurrentModificationException 异常的原因：CopyOnWriteArrayList 迭代持有的是老数组的引用，而 CopyOnWriteArrayList 每次的数据变动，都会产生新的数组，对老数组的值不会产生影响，所以迭代也可以正常进行。

[Java_ArrayList]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/108466664
[5d88354300010c5111460592.png_pic_center]: /images/20221123/c5cca1fca58f488ba109479a33540396.png
[5d8835800001ffca14040700.png_pic_center]: /images/20221123/7a7ffb410b8c44fe9a783f639111e158.png
[5d8835ac0001af7d13980550.png_pic_center]: /images/20221123/758b834ed983407fb6ecd71a8087ff62.png
[5d8835c20001596615780740.png_pic_center]: /images/20221123/e2b55e1d8be943ae8e0b7583aa1bbc2e.png