【Java】看了CopyOnWriteArrayList后自己实现了一个CopyOnWriteHashMap

【Java】看了CopyOnWriteArrayList后自己实现了一个CopyOnWriteHashMap

引言

面试官： 小伙子你有点眼熟啊，是不是去年来这面试过啊。<br/>
二胖: 啊，没有啊我这是第一次来这。<br/>
面试官: 行，那我们开始今天的面试吧，刚开始我们先来点简单的吧，java里面的容器你知道哪些啊，跟我说一说吧。<br/>
二胖: 好的，java里面常见容器有ArrayList(线程非安全)、HashMap（线程非安全）、HashSet（线程非安全），ConcurrentHashMap（线程安全)。<br/>
面试官: ArrayList 既然线程非安全那有没有线程安全的ArrayList列？<br/>
二胖: 这个。。。 好像问到知识盲点了。<br/>
面试官: 那我们今天的面试就先到这了，我待会还有一个会，后续如有通知人事会联系你的。<br/>
以上故事纯属虚构如有雷同请以本文为主。

什么是COW

在java里面说到集合容器我们一般首先会想到的是HashMap、ArrayList、HasHSet这几个容器也是平时开发中用的最多的。
这几个都是非线程安全的，如果我们有特定业务需要使用线程的安全容器列，

  • HashMap可以用ConcurrentHashMap代替。

  • ArrayList 可以使用Collections.synchronizedList()方法(list 每个方法都用synchronized修饰) 或者使用Vector(现在基本也不用了，每个方法都用synchronized修饰)

或者使用CopyOnWriteArrayList 替代。

  • HasHSet 可以使用 Collections.synchronizedSet 或者使用CopyOnWriteArraySet来代替。（CopyOnWriteArraySet为什么不叫CopyOnWriteHashSet因为CopyOnWriteArraySet底层是采用CopyOnWriteArrayList来实现的）

我们可以看到CopyOnWriteArrayList在线程安全的容器里面多次出现。
首先我们来看看什么是CopyOnWrite？Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。

为什么要引入COW

防止ConcurrentModificationException异常

在java里面我们如果采用不正确的循环姿势去遍历List时候，如果一边遍历一边修改抛出java.util.ConcurrentModificationException错误的。
如果对ArrayList循环遍历不是很熟悉的可以建议看下这篇文章《ArrayList的删除姿势你都掌握了吗》

        List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("张三");
list.add("java金融");
list.add("javajr.cn");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
String content = iterator.next();
if("张三".equals(content)) {
list.remove(content);
}
}

上面这个栗子是会发生java.util.ConcurrentModificationException异常的，如果把ArrayList改为CopyOnWriteArrayList 是不会发生生异常的。

线程安全的容器

我们再看下面一个栗子一个线程往List里面添加数据，一个线程循环list读数据。

    List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("张三");
list.add("java金融");
list.add("javajr.cn");
Thread t = new Thread(new Runnable() {
int count = 0;
@Override
public void run() {
while (true) {
list.add(count++ + "");
}
}
});
t.start();
Thread.sleep(10000);
for (String s : list) {
System.out.println(s);
}

我们运行上述代码也会发生ConcurrentModificationException异常，如果把ArrayList换成了CopyOnWriteArrayList就一切正常。

CopyOnWriteArrayList的实现

通过上面两个栗子我们可以发现CopyOnWriteArrayList是线程安全的，下面我们就来一起看看CopyOnWriteArrayList是如何实现线程安全的。

public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;
/** The lock protecting all mutators */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;

从源码中我们可以知道CopyOnWriteArrayList这和ArrayList底层实现都是通过一个Object的数组来实现的，只不过 CopyOnWriteArrayList的数组是通过volatile来修饰的，为什么需要volatile修饰建议可以看看《Java的synchronized 能防止指令重排序吗？》
还有新增了ReentrantLock。

add方法：

    public boolean add(E e) {
// 先获取锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
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);
newElements[len] = e;
// 把新数组的值 赋给原数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}

上述源码我们可以发现比较简单，有几个点需要稍微注意下

  • 增加数据的时候是通过ReentrantLock加锁操作来（在jdk11的时候采用了synchronized来替换ReentrantLock)保证多线程写的时候只有一个线程进行数组的复制，否则的话内存中会有多份被复制的数据，导致数据错乱。

  • 数组是通过volatile 修饰的，根据 volatile 的 happens-before 规则，写线程对数组引用的修改是可以立即对读线程是可见的。

  • 通过写时复制来保证读写实在两个不同的数据容器中进行操作。

自己实现一个COW容器

再Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet，但是并没有CopyOnWriteHashMap我们可以按照他的思路自己来实现一个CopyOnWriteHashMap

public class CopyOnWriteHashMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private volatile Map<K, V> map;
public CopyOnWriteHashMap() {
map = new HashMap<>();
}
@Override
public V put(K key, V value) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(map);
V val = newMap.put(key, value);
map = newMap;
return val;
} finally {
lock.unlock();
}
}
@Override
public V get(Object key) {
return map.get(key);
}
@Override
public V remove(Object key) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(map);
if (!newMap.containsKey(key)) {
return null;
}
V v = newMap.get(key);
newMap.remove(key);
map = newMap;
return v;
}finally {
lock.unlock();
}
}

上述我们实现了一个简单的CopyOnWriteHashMap，只实现了add、remove、get方法其他剩余的方法可以自行去实现，涉及到只要数据变化的就要加锁，读无需加锁。

应用场景

CopyOnWrite并发容器适用于读多写少的并发场景，比如黑白名单、国家城市等基础数据缓存、系统配置等。这些基本都是只要想项目启动的时候初始化一次，变更频率非常的低。如果这种读多写少的场景采用 Vector,Collections包装的这些方式是不合理的，因为尽管多个读线程从同一个数据容器中读取数据，但是读线程对数据容器的数据并不会发生发生修改，所以并不需要读也加锁。

CopyOnWrite缺点

CopyOnWriteArrayList虽然是一个线程安全版的ArrayList，但其每次修改数据时都会复制一份数据出来，所以CopyOnWriteArrayList只适用读多写少或无锁读场景。我们如果在实际业务中使用CopyOnWriteArrayList，一定是因为这个场景适合而非是为了炫技。

内存占用问题

因为CopyOnWrite的写时复制机制每次进行写操作的时候都会有两个数组对象的内存，如果这个数组对象占用的内存较大的话，如果频繁的进行写入就会造成频繁的Yong GC和Full GC。

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。读操作的线程可能不会立即读取到新修改的数据，因为修改操作发生在副本上。但最终修改操作会完成并更新容器所以这是最终一致性。

CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList()

简单的测试了下CopyOnWriteArrayList 和 Collections.synchronizedList()的读和写发现：

  • 在高并发的写时CopyOnWriteArray比同步Collections.synchronizedList慢百倍

  • 在高并发的读性能时CopyOnWriteArray比同步Collections.synchronizedList快几十倍。

  • 高并发写时，CopyOnWriteArrayList为何这么慢呢？因为其每次add时，都用Arrays.copyOf创建新数组，频繁add时内存申请释放性能消耗大。

  • 高并发读的时候CopyOnWriteArray无锁，Collections.synchronizedList有锁所以读的效率比较低下。

总结

选择CopyOnWriteArrayList的时候一定是读远大于写。如果读写都差不多的话建议选择Collections.synchronizedList。

结束

  • 由于自己才疏学浅，难免会有纰漏，假如你发现了错误的地方，还望留言给我指出来,我会对其加以修正。

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巨人肩膀摘苹果
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