CopyOnWriteArrayList源碼解析

Java併發包提供了很多線程安全的集合，有了他們的存在，使得我們在多線程開發下，可以和單線程一樣去編寫代碼，大大簡化了多線程開發的難度，但是如果不知道其中的原理，可能會引發意想不到的問題，所以知道其中的原理還是很有必要的。

今天我們來看下Java併發包中提供的線程安全的List，即CopyOnWriteArrayList。

剛接觸CopyOnWriteArrayList的時候，我總感覺這個集合的名稱有點奇怪：在寫的時候複製？後來才知道它就是在寫的時候進行了複製，所以這個命名還是相當嚴謹的。當然，翻譯成寫時複製會更好一些。

我們在研究源碼的時候，可以帶着問題去研究，這樣可能效果會更好，把問題一個一個攻破，也更有成就感，所以在這裏，我先拋出幾個問題：

CopyOnWriteArrayList如何保證線程安全性的。
CopyOnWriteArrayList長度有沒有限制。
爲什麼說CopyOnWriteArrayList是一個寫時複製集合。

我們先來看下CopyOnWriteArrayList的UML圖：

主要方法源碼解析

add

我們可以通過add方法添加一個元素

    public boolean add(E e) {
        //1.獲得獨佔鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();//2.獲得Object[]
            int len = elements.length;//3.獲得elements的長度
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//4.複製到新的數組
            newElements[len] = e;//5.將add的元素添加到新元素
            setArray(newElements);//6.替換之前的數據
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();//7.釋放獨佔鎖
        }
    }


    final Object[] getArray() {
        return array;
    }

當調用add方法，代碼會跑到（1）去獲得獨佔鎖，因爲獨佔鎖的特性，導致如果有多個線程同時跑到（1），只能有一個線程成功獲得獨佔鎖，並且執行下面的代碼，其餘的線程只能在外面等着，直到獨佔鎖被釋放。

線程獲得到獨佔鎖後，執行（2），獲得array，並且賦值給elements ，（3）獲得elements的長度，並且賦值給len，（4）複製elements數組，在此基礎上長度+1，賦值給newElements，（5）將我們需要新增的元素添加到newElements，（6）替換之前的數組，最後跑到（7）釋放獨佔鎖。

解析源碼後，我們明白了

CopyOnWriteArrayList是如何保證【寫】時線程安全的？因爲用了ReentrantLock獨佔鎖，保證同時只有一個線程對集合進行修改操作。
數據是存儲在CopyOnWriteArrayList中的array數組中的。
在添加元素的時候，並不是直接往array裏面add元素，而是複製出來了一個新的數組，並且複製出來的數組的長度是【舊數組的長度+1】，再把舊的數組替換成新的數組，這是尤其需要注意的。

get

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

    final Object[] getArray() {
        return array;
    }

我們可以通過調用get方法，來獲得指定下標的元素。

首先獲得array，然後獲得指定下標的元素，看起來沒有任何問題，但是其實這是存在問題的。別忘了，我們現在是多線程的開發環境，不然也沒有必要去使用JUC下面的東西了。

試想這樣的場景，當我們獲得了array後，把array捧在手心裏，如獲珍寶。。。由於整個get方法沒有獨佔鎖，所以另外一個線程還可以繼續執行修改的操作，比如執行了remove的操作，remove和add一樣，也會申請獨佔鎖，並且複製出新的數組，刪除元素後，替換掉舊的數組。而這一切get方法是不知道的，它不知道array數組已經發生了天翻地覆的變化，它還是傻乎乎的，看着捧在手心裏的array。。。這就是弱一致性。

就像微信一樣，雖然對方已經把你給刪了，但是你不知道，你還是每天打開和她的聊天框，準備說些什麼。。。

set

我們可以通過set方法修改指定下標元素的值。

    public E set(int index, E element) {
        //(1)獲得獨佔鎖
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();//(2)獲得array
            E oldValue = get(elements, index);//(3)根據下標,獲得舊的元素

            if (oldValue != element) {//(4)如果舊的元素不等於新的元素
                int len = elements.length;//(5)獲得舊數組的長度
                Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);//(6)複製出新的數組
                newElements[index] = element;//(7)修改
                setArray(newElements);//(8)替換
            } else {
                //(9)爲了保證volatile 語義，即使沒有修改，也要替換成新的數組
                // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
                setArray(elements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            lock.unlock();//(10)釋放獨佔鎖
        }
    }

當我們調用set方法後：

和add方法一樣，先獲取獨佔鎖，同樣的，只有一個線程可以獲得獨佔鎖，其他線程會被阻塞。
獲取到獨佔鎖的線程獲得array，並且賦值給elements。
根據下標，獲得舊的元素。
進行一個對比，檢查舊的元素是否不等於新的元素，如果成立的話，執行5-8，如果不成立的話，執行9。
獲得舊數組的長度。
複製出新的數組。
修改新的數組中指定下標的元素。
把舊的數組替換掉。
爲了保證volatile語義，即使沒有修改，也要替換成新的數組。
不管是否執行了修改的操作，都會釋放獨佔鎖。

通過源碼解析，我們應該更有體會：

通過獨佔鎖，來保證【寫】的線程安全。
修改操作，實際上操作的是array的一個副本，最後才把array給替換掉。

remove

我們可以通過remove刪除指定座標的元素。

    public E remove(int index) {
        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)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                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 {
            lock.unlock();
        }
    }

可以看到，remove方法和add，set方法是一樣的，第一步還是先獲取獨佔鎖，來保證線程安全性，如果要刪除的元素是最後一個，則複製出一個長度爲【舊數組的長度-1】的新數組，隨之替換，這樣就巧妙的把最後一個元素給刪除了，如果要刪除的元素不是最後一個，則分兩次複製，隨之替換。

迭代器

在解析源碼前，我們先看下迭代器的基本使用：

public class Main {public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteArrayList=new CopyOnWriteArrayList<>();
        copyOnWriteArrayList.add("Hello");
        copyOnWriteArrayList.add("copyOnWriteArrayList");
        Iterator<String>iterator=copyOnWriteArrayList.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

運行結果：

代碼很簡單，這裏就不再解釋了，我們直接來看迭代器的源碼：

    public Iterator<E> iterator() {
        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
    }

        static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    
        private final Object[] snapshot;
     
        private int cursor;

        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        }
        
        // 判斷是否還有下一個元素
        public boolean hasNext() {
            return cursor < snapshot.length;
        }
        
        //獲取下個元素
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            if (! hasNext())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[cursor++];
        }

當我們調用iterator方法獲取迭代器，內部會調用COWIterator的構造方法，此構造方法有兩個參數，第一個參數就是array數組，第二個參數是下標，就是0。隨後構造方法中會把array數組賦值給snapshot變量。
snapshot是“快照”的意思，如果Java基礎尚可的話，應該知道數組是引用類型，傳遞的是指針，如果有其他地方修改了數組，這裏應該馬上就可以反應出來，那爲什麼又會是snapshot這樣的命名呢？沒錯，如果其他線程沒有對CopyOnWriteArrayList進行增刪改的操作，那麼snapshot就是本身的array，但是如果其他線程對CopyOnWriteArrayList進行了增刪改的操作，舊的數組會被新的數組給替換掉，但是snapshot還是原來舊的數組的引用。也就是說當我們使用迭代器便利CopyOnWriteArrayList的時候，不能保證拿到的數據是最新的，這也是一致性問題。

什麼？你不信？那我們通過一個demo來證實下：

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteArrayList=new CopyOnWriteArrayList<>();
        copyOnWriteArrayList.add("Hello");
        copyOnWriteArrayList.add("CopyOnWriteArrayList");
        copyOnWriteArrayList.add("2019");
        copyOnWriteArrayList.add("good good study");
        copyOnWriteArrayList.add("day day up");
        new Thread(()->{
            copyOnWriteArrayList.remove(1);
            copyOnWriteArrayList.remove(3);
        }).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        Iterator<String> iterator = copyOnWriteArrayList.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }

運行結果：

這沒問題把，我們先是往list裏面add了點數據，然後開一個線程，在線程裏面刪除一些元素，睡3秒是爲了保證線程運行完畢。然後獲取迭代器，遍歷元素，發現被remove的元素沒有被打印出來。

然後我們換一種寫法：

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CopyOnWriteArrayList<String> copyOnWriteArrayList=new CopyOnWriteArrayList<>();
        copyOnWriteArrayList.add("Hello");
        copyOnWriteArrayList.add("CopyOnWriteArrayList");
        copyOnWriteArrayList.add("2019");
        copyOnWriteArrayList.add("good good study");
        copyOnWriteArrayList.add("day day up");
        Iterator<String> iterator = copyOnWriteArrayList.iterator();
        new Thread(()->{
            copyOnWriteArrayList.remove(1);
            copyOnWriteArrayList.remove(3);
        }).start();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }

這次我們改變了代碼的順序，先是獲取迭代器，然後是執行刪除線程的操作，最後遍歷迭代器。
運行結果：

可以看到被刪除的元素，還是打印出來了。

如果我們沒有分析源碼，不知道其中的原理，不知道弱一致性，當在多線程中用到CopyOnWriteArrayList的時候，可能會痛不欲生，想砸電腦，不知道爲什麼獲取的數據有時候就不是正確的數據，而有時候又是。所以探究原理，還是挺有必要的，不管是通過源碼分析，還是通過看博客，甚至是直接看JDK中的註釋，都是可以的。

在Java併發包提供的集合中，CopyOnWriteArrayList應該是最簡單的一個，希望通過源碼分析，讓大家有一個信心，原來JDK源碼也是可以讀懂的。

CopyOnWriteArrayList源碼解析

主要方法源碼解析

add

get

set

remove

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