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前言
本觉 CopyOnWriteArrayList 过于简略，寻思看名字就能晓得外部的实现逻辑，所以没有写这篇文章的想法，最近又认真看了下 CopyOnWriteArrayList 的源码实现，大体逻辑没有意外，不过还是发现很多有意思的中央，固留此篇文章分享之。
看完这篇文章你会理解到：
- CopyOnWriteArrayList 的实现原理，扩容机制。
- CopyOnWriteArrayList 的读写拆散，弱一致性。
- CopyOnWriteArrayList 的性能如何。
- CopyOnWriteArrayList 批改元素时，为什么雷同值也要从新赋值（作者 Doug Lea 这么写都是有情理的）。
- CopyOnWriteArrayList 在高版本 JDK 的实现有什么不同，为什么。
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线程平安 List
在 Java 中，线程平安的 List 不止一个，除了明天的配角 CopyOnWriteArrayList 之外，还有 Vector 类和 SynchronizedList 类，它们都是线程平安的 List 汇合。在介绍 CopyOnWriteArrayList 之前，先简略介绍下另外两个。
如果你尝试你查看它们的源码，你会发现有点不对头，并发汇合不都是在 java.util.concurrent 包中嘛，为什么Vector 类和 SynchronizedList 类 这两个是在 java.util 包里呢？
的确是这样的，这两个线程平安的 List 和线程平安的 HashTable 是一样的，都是比较简单粗犷的实现形式，间接办法上减少 synchronized 关键字实现的，而且不论增删改查，通通加上，即便是 get 办法也不例外，没错，就是这么粗犷。
Vector 类的 get 办法：
// Vector 中的 get 操作增加了 synchronized
public synchronized E get(int index) {if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
return elementData(index);
}SynchronizedList 类的 ge t 办法：
public E get(int index) {synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}同学无妨思考一下，其实在 get 办法上增加同步机制也是有起因的，尽管升高了效率，然而能够让写入的数据立刻能够被查问到，这也保障了数据的强一致性。另外下面对于 synchronized 简略粗犷的形容也是不够精确的，因为在高版本的 JDK 中，synchronized 曾经能够依据运行时状况，主动调整锁的粒度，前面介绍 CopyOnWriteArrayList 时会再次讲到。
CopyOnWriteArrayList
在 JDK 并发包中，目前对于 List 的并发汇合，只有 CopyOnWriteArrayList 一个。下面简略介绍了 Vector 和 SynchronizdList 的粗犷实现，既然还有 CopyOnWriteArrayList，那么它肯定是和下面两种是有区别的，作为惟一的并发 List，它有什么不同呢？
在探索 CopyOnWriteArrayList 的实现之前，咱们无妨先思考一下，如果是你，你会怎么来实现一个线程平安的 List。
- 并发读写时该怎么保障线程平安呢？
- 数据要保障强一致性吗？数据读写更新后是否立即体现？
- 初始化和扩容时容量给多少呢？
- 遍历时要不要保证数据的一致性呢？须要引入 Fail-Fast 机制吗？
通过类名咱们大抵能够猜测到 CopyOnWriteArrayList 类的实现思路：Copy-On-Write, 也就是写时复制策略；开端的 ArrayList 示意数据寄存在一个数组里。在对元素进行增删改时，先把现有的数据数组拷贝一份，而后增删改都在这个拷贝数组上进行，操作实现后再把原有的数据数组替换成新数组。这样就实现了更新操作。
然而这种写入时复制的形式必定会有一个问题，因为每次更新都是用一个新数组替换掉老的数组，如果不巧在更新时有一个线程正在读取数据，那么读取到的就是老数组中的老数据。其实这也是 读写拆散 的思维，放弃数据的强一致性来换取性能的晋升。
剖析源码 (JDK8)
下面曾经说了，CopyOnWriteArrayList 的思维是 写时复制 ， 读写拆散，它的外部保护着一个应用 volatile 润饰的数组，用来寄存元素数据。
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;CopyOnWriteArrayList 类中办法很多，这里不会一一介绍，上面会剖析其中的几个罕用的办法，这几个办法了解后根本就能够把握 CopyOnWriteArrayList 的实现原理。
构造函数
CopyOnWriteArrayList 的构造函数一共有三个，一个是无参结构，间接初始化数组长度为 0；另外两个传入一个汇合或者数组作为参数，而后会把汇合或者数组中的元素间接提取进去赋值给 CopyOnWriteArrayList 外部保护的数组。
// 间接初始化一个长度为 0 的数组
public CopyOnWriteArrayList() {setArray(new Object[0]);
}
// 传入一个汇合，提取汇合中的元素赋值到 CopyOnWriteArrayList 数组
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {Object[] es;
if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
es = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
else {es = c.toArray();
if (c.getClass() != java.util.ArrayList.class)
es = Arrays.copyOf(es, es.length, Object[].class);
}
setArray(es);
}
// 传入一个数组，数组元素提取后赋值到 CopyOnWriteArrayList 数组
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}
构造函数是实例创立时调用的，没有线程平安问题，所以构造方法都是简略的赋值操作，没有非凡的逻辑解决。
新增元素
元素新增依据入参的不同有好几个，然而原理都是一样的，所以上面只贴出了 add(E e) 的实现形式，是通过一个 ReentrantLock 锁保障线程平安的。
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 加锁
try {Object[] elements = getArray(); // 获取数据数组
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 拷贝一个数据数组，长度 +1
newElements[len] = e; // 退出新元素
setArray(newElements); // 用新数组替换掉老数组
return true;
} finally {lock.unlock();
}
}具体步骤：
- 加锁，获取目前的数据数组开始操作（加锁保障了同一时刻只有一个线程进行减少 / 删除 / 批改操作）。
- 拷贝目前的数据数组，且长度减少一。
- 新数组中放入新的元素。
- 用新数组替换掉老的数组。
- finally 开释锁。
因为每次 add 时容量只减少了 1，所以每次减少时都要创立新的数组进行数据复制，操作实现后再替换掉老的数据，这必然会升高数据新增时候的性能。上面通过一个简略的例子测试 CopyOnWriteArrayList、Vector、ArrayList 的新增和查问性能。
public static void main(String[] args) {CopyOnWriteArrayList<Object> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();
Vector vector = new Vector<>();
ArrayList arrayList = new ArrayList();
add(copyOnWriteArrayList);
add(vector);
add(arrayList);
get(copyOnWriteArrayList);
get(vector);
get(arrayList);
}
public static void add(List list) {long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {list.add(i);
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(list.getClass().getName() + ".size=" + list.size() + ",add 耗时:" + (end - start) + "ms");
}
public static void get(List list) {long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {Object object = list.get(i);
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(list.getClass().getName() + ".size=" + list.size() + ",get 耗时:" + (end - start) + "ms");
}从测得的后果中能够看到 CopyOnWriteArrayList 的新增耗时最久，其次是加锁的 Vector（Vector 的扩容默认是两倍）。而在获取时最快的是线程不平安的 ArrayList，其次是 CopyOnWriteArrayList，而 Vector 因为 Get 时加锁，性能最低。
java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList.size=100000,add 耗时:2756ms
java.util.Vector.size=100000,add 耗时:4ms
java.util.ArrayList.size=100000,add 耗时:3ms
java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList.size=100000,get 耗时:4ms
java.util.Vector.size=100000,get 耗时:5ms
java.util.ArrayList.size=100000,get 耗时:2ms批改元素
批改元素和新增元素的思维是统一的，通过 ReentrantLock 锁保障线程安全性，实现代码也比较简单，原本不筹备写进来的，然而在看源码时发现一个十分有意思的中央，看上面的代码。
public E set(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 加锁
try {Object[] elements = getArray(); // 获取老数组
E oldValue = get(elements, index); // 获取指定地位元素
if (oldValue != element) { // 新老元素是否相等，不相等
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len); // 复制老数组
newElements[index] = element; // 指定地位赋新值
setArray(newElements); // 替换掉老数组
} else {
// Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
setArray(elements); // 有意思的中央来了
}
return oldValue;
} finally {lock.unlock();
}
}通过源码能够看到在批改元素前会先比拟批改前后的值是否相等，而在相等的状况下，仍旧 setArray(elements); 这就很微妙了，到底是为什么呢？想理解其中的起因须要理解下 volatile 的特殊作用，通过上面这个代码例子阐明。
// initial conditions
int nonVolatileField = 0;
CopyOnWriteArrayList<String> list = /* a single String */
// Thread 1
nonVolatileField = 1; // (1)
list.set(0, "x"); // (2)
// Thread 2
String s = list.get(0); // (3)
if (s == "x") {int localVar = nonVolatileField; // (4)
}
// 例子来自：https://stackoverflow.com/questions/28772539/why-setarray-method-call-required-in-copyonwritearraylist要想了解例子中的非凡之处，首先你要晓得 volatile 能够避免指令重排，其次要理解 happens-before 机制。说简略点就是它们能够保障代码的执行前后程序。
比方下面例子中的代码，1 会在 2 之前执行，3 会在 4 之前执行，这都没有疑难。还有一条是 volatile 润饰的属性写会在读之前执行，所以 2 会在 3 之前执行。而执行程序还存在传递性。所以最终 1 会在 4 之前执行。这样 4 获取到的值就是步骤 1 为 nonVolatileField 赋的值。如果 CopyOnWriteArrayList 中的 set 办法内没有为雷同的值进行 setArray，那么下面说的这些就都不存在了。
删除元素
remove 删除元素办法一共有三个，这里只看public E remove(int index) 办法，原理都是相似的。
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 加锁
try {Object[] elements = getArray(); // 获取数据数组
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index); // 获取要删除的元素
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0) // 是否开端
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1)); // 数据数组减去开端元素
else {Object[] newElements = new Object[len - 1]; // 把要删除的数据的前后元素别离拷贝到新数组
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
setArray(newElements); // 应用新数组替换老数组
}
return oldValue;
} finally {lock.unlock(); // 解锁
}
}代码还是很简略的，应用 ReentrantLock 独占锁保障操作的线程安全性，而后应用删除元素后的残余数组元素拷贝到新数组，应用新数组替换老数组实现元素删除，最初开释锁返回。
获取元素
获取下标为 index 的元素，如果元素不存在，会抛出IndexOutOfBoundsException 异样。
public E get(int index) {return get(getArray(), index);
}
final Object[] getArray() {return array;}
private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];
}首先看到这里是没有任何的加锁操作的，而获取指定地位的元素又分为了两个步骤：
- getArray() 获取数据数组。
- get(Object[] a, int index) 返回指定地位的元素。
很有可能在第一步执行实现之后，步骤二执行之前，有线程对数组进行了更新操作。通过下面的剖析咱们晓得更新会生成一个新的数组，而咱们第一步曾经获取了老数组，所以咱们在进行 get 时仍旧在老数组上进行，也就是说 另一个线程的更新后果没有对咱们的本次 get 失效 。这也是下面提到的 弱一致性 问题。
迭代器的弱一致性
List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("www.wdbyte.com");
list.add("未读代码");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
list.add("java");
while (iterator.hasNext()) {String next = iterator.next();
System.out.println(next);
}当初 List 中增加了元素 www.wdbyte.com 和 未读代码，在拿到迭代器对象后，又增加了新元素 java , 能够看到遍历的后果没有报错也没有输入 java。也就是说拿到迭代器对象后，元素的更新不可见。
www.wdbyte.com
未读代码这是为什么呢？要先从 CopyOnWriteArrayList 的 iterator() 办法的实现看起。
public Iterator<E> iterator() {return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
/** Snapshot of the array */
private final Object[] snapshot;
/** Index of element to be returned by subsequent call to next. */
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = elements;
}
......能够看到在获取迭代器时，先 getArray() 拿到了数据数组 而后传入到 COWIterator 结构器中，接着赋值给了 COWIterator 中的 snapshot 属性，联合下面的剖析后果，能够晓得每次更新都会产生新的数组，而这里应用的仍旧是老数组，所以更新操作不可见，也就是下面屡次提到的 弱一致性。
新版变动
下面的源码剖析都是基于 JDK 8 进行的。写文章时顺便看了下新版的实现形式有没有变动，还真的有挺大的扭转，次要体现在加锁的形式上，或者是因为 JVM 起初引入了 synchronized 锁降级策略，让 synchronized 性能有了不少晋升，所以用了 synchronized 锁替换了老的 ReentrantLock 锁。
新增：
public boolean add(E e) {synchronized (lock) {Object[] es = getArray();
int len = es.length;
es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
es[len] = e;
setArray(es);
return true;
}
}批改：
public E set(int index, E element) {synchronized (lock) {Object[] es = getArray();
E oldValue = elementAt(es, index);
if (oldValue != element) {es = es.clone();
es[index] = element;
}
// Ensure volatile write semantics even when oldvalue == element
setArray(es);
return oldValue;
}
}总结
通过下面的剖析，失去上面几点对于 CopyOnWriteArrayList 的总结。
- CopyOnWriteArrayList 采纳读写拆散，写时复制形式实现线程平安，具备弱一致性。
- CopyOnWriteArrayList 因为每次写入时都要扩容复制数组，写入性能不佳。
- CopyOnWriteArrayList 在批改元素时，为了保障 volatile 语义，即便元素没有任何变动也会从新赋值，
- 在高版 JDK 中，得益于 synchronized 锁降级策略，CopyOnWriteArrayList 的加锁形式采纳了 synchronized。
参考：
- Why setArray() method call required in CopyOnWriteArrayList.
https://stackoverflow.com/que…
- What does volatile do?
http://www.cs.umd.edu/~pugh/j…
JDK 源码剖析系列文章
- 汇合 – 最通俗易懂的 HashMap 源码剖析解读
- 汇合 – 还不懂 ConcurrentHashMap？这份源码剖析理解一下
- 汇合 – ArrayList 和 LinkedList 如何实现的？我看你还有机会！
最初的话
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