Java並發程式設計：並發容器CopyOnWriteArrayList的實作原理

　　Copy-On-Write簡稱COW，是一種用於程式設計中的最佳化策略。其基本想法是，從一開始大家都在共享同一個內容，當某個人想要修改這個內容的時候，才會真正把內容Copy出去形成一個新的內容然後再改，這是一種延時懶惰策略。從JDK1.5開始Java並發包裡提供了兩個使用CopyOnWrite機制實現的並發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。 CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的並發場景中使用。

什麼是CopyOnWrite容器

　　CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當我們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，然後新的容器裡添加元素，添加完元素之後，再將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容器進行並發的讀取，而不需要加鎖，因為當前容器不會添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀寫不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的實作原理

　　在使用CopyOnWriteArrayList之前，我們先閱讀其原始碼了解下它是如何實現的。以下程式碼是向CopyOnWriteArrayList中add方法的實作（向CopyOnWriteArrayList裡加入元素），可以發現在新增的時候是需要加鎖的，否則多執行緒寫的時候會Copy出N個副本出來。

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/**      * 將指定元素追加到此清單的末端。 #      * #      * @param e 若要附加到此清單的元素 #      * @return <tt>true</tt>; （由{@link Collection#add}指定）      #*/     public boolean add(E e) { #     final ReentrantLock lock = this.lock;     lock.lock(); #     try {         Object[] elements = getArray(); #         int len = elements.length;         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len  #1 ##         newElements[len] = e;         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CopyOnWriteArrayList添加數據，讀還是會讀到舊的數據，因為寫的時候不會鎖住舊的CopyOnWriteArrayList。

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

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 　　JDK中並沒有提供CopyOnWriteMap，我們可以參考CopyOnWriteArrayList來實作一個，基本程式碼如下：

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import java.util.Collection; # import java.util.Map; import java.util.Set;   public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable { 1 #     private volatile Map internalMap;       public CopyOnWriteMap() {         internalMap =  new   HashMap();##HashMap<K, V>();      }       public V put(K key, V value) { #           synchronized ( #this ##) {              Map newMap = #new HashMap# new HashMap#(internalMap)(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 newMap = #new   HashMap#new HashMap#(internalMap) (internalMap);             #newMap.putAll(newData);              #internalMap = newMap;

        ######}###### ######    ######}###### ######}###### ### ##########

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

CopyOnWrite的應用場景

　　CopyOnWrite並發容器用於讀取多寫少的並發場景。例如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜尋網站，用戶在這個網站的搜尋框中，輸入關鍵字搜尋內容，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。實作程式碼如下：

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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< , Boolean>( #             1000##);       public static boolean isBlackList(String id) {#         return# blackListMap.get(id) == #null ? #false##null  # :  true ;      }       public static  void  addBlackList(String id) {          blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);#      }        /**       * 大量新增黑名單       *#       * @param ids       #*/#     public static  void  addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {

#################################################################################################################################################################### ######        ######blackListMap.putAll(ids);###### ######    ######}###### ### ### ######}###### ### ##########

 　　程式碼很簡單，但是使用CopyOnWriteMap需要注意兩件事：

　　1. 減少擴容開銷。依實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫入時CopyOnWriteMap擴充的開銷。

　　2. 使用批次新增。因為每次添加，容器每次都會複製，所以減少添加次數，可以減少容器的複製次數。如使用上面程式碼裡的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺點

　　CopyOnWrite容器有許多優點，但同時也存在兩個問題，就是記憶體佔用問題和資料一致性問題。所以在開發的時候要注意一下。

　　記憶體佔用問題。因為CopyOnWrite的寫時複製機制，所以在進行寫入操作的時候，記憶體裡會同時駐紮兩個物件的內存，舊的物件和新寫入的物件（注意:在複製的時候只是複製容器裡的引用，只是在寫的時候會創建新物件添加到新容器裡，而舊容器的物件還在使用，所以有兩份物件記憶體）。如果這些物件佔用的記憶體比較大，比如說200M左右，那麼再寫入100M資料進去，記憶體就會佔用300M，那麼這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。先前我們系統中使用了一個服務由於每晚使用CopyOnWrite機制更新大對象，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也隨之變長。

　　針對記憶體佔用問題，可以透過壓縮容器中的元素的方法來減少大物件的記憶體消耗，比如，如果元素全是10進位的數字，可以考慮把它壓縮成36進位或64進制。或不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的並發容器，如ConcurrentHashMap。

　　資料一致性問題。 CopyOnWrite容器只能保證資料的最終一致性，無法保證資料的即時一致性。所以如果你希望寫入的數據，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。

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