16 CopyOnWrite

16.1 什么是CopyOnWrite容器

在说到CopyOnWrite容器之前我们先来谈谈什么是CopyOnWrite机制,CopyOnWrite是计算机设计领域中的一种优化策略,也是一种在并发场景下常用的设计思想——写入时复制思想。
那什么是写入时复制思想呢?就是当有多个调用者同时去请求一个资源数据的时候,有一个调用者出于某些原因需要对当前的数据源进行修改,这个时候系统将会复制一个当前数据源的副本给调用者修改。
CopyOnWrite容器即写时复制的容器,当我们往一个容器中添加元素的时候,不直接往容器中添加,而是将当前容器进行copy,复制出来一个新的容器,然后向新容器中添加我们需要的元素,最后将原容器的引用指向新容器。
这样做的好处在于,我们可以在并发的场景下对容器进行"读操作"而不需要"加锁",从而达到读写分离的目的。从JDK 1.5 开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器 ,分别是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet 。我们着重给大家介绍一下CopyOnWriteArrayList。

16.2 CopyOnWriteArrayList

优点: CopyOnWriteArrayList经常被用于“读多写少”的并发场景,是因为CopyOnWriteArrayList无需任何同步措施,大大增强了读的性能。在Java中遍历线程非安全的List(如:ArrayList和 LinkedList)的时候,若中途有别的线程对List容器进行修改,那么会抛出ConcurrentModificationException异常。CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离",遍历和修改操作分别作用在不同的List容器,所以在使用迭代器遍历的时候,则不会抛出异常。
缺点: 第一个缺点是CopyOnWriteArrayList每次执行写操作都会将原容器进行拷贝了一份,数据量大的时候,内存会存在较大的压力,可能会引起频繁Full GC(ZGC因为没有使用Full GC)。比如这些对象占用的内存比较大200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会多占用300M。
第二个缺点是CopyOnWriteArrayList由于实现的原因,写和读分别作用在不同新老容器上,在写操作执行过程中,读不会阻塞,但读取到的却是老容器的数据。
现在我们来看一下CopyOnWriteArrayList的add操作源码,它的逻辑很清晰,就是先把原容器进行copy,然后在新的副本上进行“写操作”,最后再切换引用,在此过程中是加了锁的。
public boolean add(E e) {
// ReentrantLock加锁,保证线程安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 拷贝原容器,长度为原容器长度加一
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 在新副本上执行添加操作
newElements[len] = e;
// 将原容器引用指向新副本
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
我们再来看一下remove操作的源码,remove的逻辑是将要remove元素之外的其他元素拷贝到新的副本中,然后切换引用,再将原容器的引用指向新的副本中,因为remove操作也是“写操作”所以也是要加锁的。
public E remove(int index) {
// 加锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
// 如果要删除的是列表末端数据,拷贝前len-1个数据到新副本上,再切换引用
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
// 否则,将除要删除元素之外的其他元素拷贝到新副本中,并切换引用
Object[] newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
// 解锁
lock.unlock();
}
}
我们再来看看CopyOnWriteArrayList效率最高的读操作的源码
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
由上可见“读操作”是没有加锁,直接读取。

16.3 CopyOnWrite的业务中实现

接下来,我们来具体结合业务场景实现一个CopyOnWriteMap的并发容器并且来使用它。
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;
}
}
}
上面就是参考CopyOnWriteArrayList实现的CopyOnWriteMap,我们可以用这个容器来做什么呢?结合我们之前说的CopyOnWrite的复制思想,它最适用于“读多写少”的并发场景。
场景:假如我们有一个搜索的网站需要屏蔽一些“关键字”,“黑名单”每晚定时更新,每当用户搜索的时候,“黑名单”中的关键字不会出现在搜索结果当中,并且提示用户敏感字。
// 黑名单服务
public class BlackListServiceImpl {
// 减少扩容开销。根据实际需要,初始化CopyOnWriteMap的大小,避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。
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
* (使用批量添加。因为每次添加,容器每次都会进行复制,所以减少添加次数,可以减少容器的复制次数。
* 如使用上面代码里的addBlackList方法)
* @param ids
*/
public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
blackListMap.putAll(ids);
}
}
这里需要各位小伙伴特别特别注意一个问题,此处的场景是每晚凌晨“黑名单”定时更新,原因是CopyOnWrite容器有数据一致性的问题,它只能保证最终数据一致性
所以如果我们希望写入的数据马上能准确地读取,请不要使用CopyOnWrite容器。
参考资料
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16.1 什么是CopyOnWrite容器
16.2 CopyOnWriteArrayList
16.3 CopyOnWrite的业务中实现