一、CopyOnWrite容器
多线程对CopyOnWrite容器进行并发的读是不需要加锁的，因为当前容器中的数据集合是不会被添加任何元素的（关于这一点，CopyOnWrite算法可以保证），所以CopyOnWrite容器是一种读写分离的思想，读和写不同的容器，因此不会存在读写冲突，而写写之间的冲突则是由全局的显式锁Lock来进行防护的，因此CopyOnWrite常常被应用于读操作远远高于写操作的应用场景中。CopyOnWrite算法的基本原理如图所示。
Java中提供了两种CopyOnWrite算法的实现类
CopyOnWriteArrayList：在JDK1.5版本被引入，用于高并发的ArrayList解决方案，在某种程度上可以替代Collections.synchronizedList。
CopyOnWriteArraySet：也是自JDK1.5版本被引入，提供了高并发的Set的解决方案，其实在底层，CopyOnWriteArraySet完全是基于CopyOnWriteArrayList实现的。
二、CopyOnWriteArrayList
2.1、CopyOnWriteArrayList的使用
CopyOnWriteArrayList在多线程环境下，写时效率低，读时效率高，适合写少读多的环境，比如事件监听器。
/*写时复制：添加元素的时候，会把这个容器复制一份，在复制的那份后面加一个新的，将引用指向复制的那份。*读的时候不用加锁，适合写的很少，读的特别多的时候。 */public class CopyOnWriteListTest {public static void main(String[] args) {List<String> list =// new ArrayList<>(); //这个会出并发问题,最后size<100000，，运行时间：0.1秒多// new Vector<>(); //size=100000，，运行时间：0.1秒多new CopyOnWriteArrayList<>(); //size=100000，效率很低，因为一直在“复制、写”，运行时间：5秒多Random r = new Random();Thread[] threads = new Thread[100];for (int i=0; i<threads.length; i++) { //起100个线程，每个线程向容器中加1000个数（最终应该是10万个数）Runnable task = new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int j=0; j<1000; j++) list.add("a" + r.nextInt());}};threads[i] = new Thread(task);}runAndComputeTime(threads);System.out.println(list.size());}static void runAndComputeTime(Thread[] threads) {long start = System.currentTimeMillis();Arrays.asList(threads).forEach(t->t.start());Arrays.asList(threads).forEach(t->{try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});long end = System.currentTimeMillis();System.out.println(end-start);}}
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：
import java.util.Map;
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
/**
* 黑名单服务
*
* @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);
}
/**
* 批量添加黑名单
*
* @param ids
*/
public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
blackListMap.putAll(ids);
}
}
2.2、CopyOnWriteArrayList的实现原理
在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向CopyOnWriteArrayList中add方法的实现（向CopyOnWriteArrayList里添加元素），可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
*/
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();
}
}
读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
2.3、CopyOnWriteMap（基于CopyOnWriteArrayList实现）
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;
}
}
}
2.4、CopyOnWriteArrayList要点
- 实现了List接口
- 内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
- 底层是用volatile transient声明的数组 array
- 读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array
2.5、CopyOnWriteArrayList的方法
1、增
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
//复制一个新的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
//插入新值
newElements[len] = e;
//将新的数组指向原来的引用
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
public void add(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
if (index > len || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
", Size: "+len);
Object[] newElements;
int numMoved = len - index;
if (numMoved == 0)
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
newElements = new Object[len + 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
numMoved);
}
newElements[index] = element;
setArray(newElements);
} finally {
lock.unlock();
}
}
2、删
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
//如果删除的元素是最后一个，直接复制该元素前的所有元素到新的数组
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
//创建新的数组
Object[] newElements = new Object[len - 1];
//将index+1至最后一个元素向前移动一格
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}
3、改
public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获得锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
E oldValue = get(elements, index);
if (oldValue != element) {
int len = elements.length;
//创建新数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
//替换元素
newElements[index] = element;
//将新数组指向原来的引用
setArray(newElements);
} else {
// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
setArray(elements);
}
return oldValue;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}
4、查
//直接获取index对应的元素
public E get(int index) {return get(getArray(), index);}
private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}
2.6、CopyOnWrite的优缺点
CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。
内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。
针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。
数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。
2.7、CopyOnWriteArrayList与ArrayList比较
三、CopyOnWriteArraySet
3.1、CopyOnWriteArraySet的简介
CopyOnWriteArraySet它是线程安全的无序的集合，可以将它理解成线程安全的HashSet，有意思的是，CopyOnWriteArraySet和HashSet虽然都继承于共同的父类都继承于共同的父类；但是，HashSet是通过“散列表(HashMap)”实现的，而CopyOnWriteArraySet则是通过“动态数组(CopyOnWriteArrayList)”实现的，并不是散列表。和CopyOnWriteArrayList类似，CopyOnWriteArraySet具有以下特性：
1、它最适合于具有以下特征的应用程序：Set 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
2、它是线程安全的。
3、因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和remove() 等等）的开销很大。
4、迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变remove()等操作。
5、使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。
3.2、CopyOnWriteArraySet的一些方法
1、add(E e) ：如果指定元素并不存在于此 set 中，则添加它，返回值为Boolean。
2、clear()：移除此 set 中的所有元素。
3、contains(Object o) ： 如果此 set 包含指定元素，则返回 true。
4、equals(Object o) ：比较指定对象与此 set 的相等性，返回值为 boolean 。
5、isEmpty() ：如果此 set 不包含任何元素，则返回 true。
6、iterator() ：返回按照元素添加顺序在此 set 中包含的元素上进行迭代的迭代器，返回值为 Iterator。
7、remove(Object o) ：如果指定元素存在于此 set 中，则将其移除，返回值为 boolean 。
8、size() ：返回此 set 中的元素数目。
9、Object[] toArray() ： 返回一个包含此 set 所有元素的数组。
3.3、CopyOnWriteArraySet的使用
package chapter3.copyonwrite;
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;
/**
* @author czd
*/
public class CopyOnWriteArraySetTest {
public static void main(String[] args) {
/**
* CopyOnWriteArraySet():
* 创建一个空 set。
* CopyOnWriteArraySet(Collection<? extends E> c):
* 创建一个包含指定 collection 所有元素的 set。
*/
/**
* 1、add(E e)：如果指定元素并不存在于此 set 中，则添加它，返回值为Boolean
*/
CopyOnWriteArraySet<Integer> copyOnWriteArraySet = new CopyOnWriteArraySet<>();
Boolean addBoolean = copyOnWriteArraySet.add(1);
System.out.println("是否添加成功？" + addBoolean);
/**
* 2、contains(Object o) ：如果此 set 包含指定元素，则返回 true
*/
Boolean containsBoolean = copyOnWriteArraySet.contains(1);
System.out.println("CopyOnWriteArraySet中是否存在1?" + containsBoolean);
/**
* 3、isEmpty() ：如果此 set 不包含任何元素，则返回 true。
*/
Boolean isEmptyBoolean = copyOnWriteArraySet.isEmpty();
System.out.println("copyOnWriteArraySet是否为空？" + isEmptyBoolean);
/**
* 4、iterator()：返回按照元素添加顺序在此 set 中包含的元素上进行迭代的迭代器，Iterator<E>。
*/
copyOnWriteArraySet.add(2);
copyOnWriteArraySet.add(3);
copyOnWriteArraySet.add(4);
copyOnWriteArraySet.add(5);
Iterator<Integer> iterator = copyOnWriteArraySet.iterator();
while (iterator.hasNext()){
System.out.println("Iterator的结果: " + iterator.next());
}
/**
* 5、remove(Object o) ：如果指定元素存在于此 set 中，则将其移除，返回值为Boolean。
*/
Boolean removeBoolean = copyOnWriteArraySet.remove(5);
System.out.println("是否移除5成功？" + removeBoolean);
/**
* 6、size() ：返回此 set 中的元素数目。
*/
CopyOnWriteArraySet<Integer> copyOnWriteArraySet1 = new CopyOnWriteArraySet<>();
copyOnWriteArraySet1.add(1);
copyOnWriteArraySet1.add(2);
copyOnWriteArraySet1.add(3);
copyOnWriteArraySet1.add(1);
copyOnWriteArraySet1.add(3);
Integer size = copyOnWriteArraySet1.size();
System.out.println("copyOnWriteArraySet1的size: " + size);
}
}
若有收获，就点个赞吧
0 人点赞
