CopyOnWrite并發集合

2019-11-14 08:53:07

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供稿：網友

Copy-On-Write簡稱COW，是一種用于程序設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始大家都在共享同一個內容，當某個線程想要修改這個內容的時候，才會真正把內容Copy出去形成一個新的內容然后再改，這是一種延時懶惰策略。從JDK1.5開始java并發包里提供了兩個使用CopyOnWrite機制實現的并發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并發場景中使用到。

什么是CopyOnWrite容器

　　CopyOnWrite容器即寫時復制的容器。通俗的理解是當我們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，復制出一個新的容器，然后往新的容器里添加元素，添加完元素之后，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行并發的讀，而不需要加鎖，因為當前容器不會添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

CopyOnWriteArrayList實現原理

　　在使用CopyOnWriteArrayList之前，我們先閱讀其源碼了解下它是如何實現的。以下代碼是向CopyOnWriteArrayList中add方法的實現（向CopyOnWriteArrayList里添加元素），可以發現在添加的時候是需要加鎖的，否則多線程寫的時候會Copy出N個副本出來。

 /**     * 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})     */	// 在向CopyOnWriteArrayList中添加元素的時候加鎖。    public boolean add(E e) {		//獲取鎖        final ReentrantLock lock = this.lock;		//加鎖，保證原子性和可見性。        lock.lock();        try {			//引用變量指向對象。            Object[] elements = getArray();			//數組長度            int len = elements.length;			//創建新數組，長度在原來基礎上加一            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);			//賦值            newElements[len] = e;			//給array賦值。            setArray(newElements);            return true;        } finally {			//釋放鎖資源            lock.unlock();        }    }　讀的時候不需要加鎖，如果讀的時候有多個線程正在向CopyOnWriteArrayList添加數據，讀還是會讀到舊的數據，因為寫的時候不會鎖住舊的CopyOnWriteArrayList。 /**     * {@inheritDoc}     *     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}     */	 //讀的時候不加鎖    public E get(int index) {        return get(getArray(), index);    }　CopyOnWrite 容器的應用場景　　CopyOnWrite并發容器用于讀多寫少的并發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜索網站，用戶在這個網站的搜索框中，輸入關鍵字搜索內容，但是某些關鍵字不允許被搜索。這些不能被搜索的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當用戶搜索時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中，如果在，則提示不能搜索。實現代碼如下：
package com.ifeve.book; import java.util.Map; import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap; /** * 黑名單服務 * * @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);    }     /**     * 批量添加黑名單     *     * @param ids     */    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {        blackListMap.putAll(ids);    } }
　代碼很簡單，但是使用CopyOnWriteMap需要注意兩件事情：
　　1. 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時CopyOnWriteMap擴容的開銷。
　　2. 使用批量添加。因為每次添加，容器每次都會進行復制，所以減少添加次數，可以減少容器的復制次數。如使用上面代碼里的addBlackList方法。
CopyOnWrite容器的缺點
　　CopyOnWrite容器有很多優點，但是同時也存在兩個問題，即內存占用問題和數據一致性問題。所以在開發的時候需要注意一下。
　　內存占用問題。因為CopyOnWrite的寫時復制機制，所以在進行寫操作的時候，內存里會同時駐扎兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意:在復制的時候只是復制容器里的引用，只是在寫的時候會創建新對象添加到新容器里，而舊容器的對象還在使用，所以有兩份對象內存）。如果這些對象占用的內存比較大，比如說200M左右，那么再寫入100M數據進去，內存就會占用300M，那么這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由于每晚使用CopyOnWrite機制更新大對象，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也隨之變長。
　　針對內存占用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大對象的內存消耗，比如，如果元素全是10進制的數字，可以考慮把它壓縮成36進制或64進制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并發容器，如ConcurrentHashMap。
　　數據一致性問題。CopyOnWrite容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。所以如果你希望寫入的的數據，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。
使用CopyOnWrite容器時注意：
1、CopyOnWrite 容器的迭代器是不具有remove功能的即在迭代器中不能使用remove()方法進行刪除而ArrayList、LinkedList是可以的，通過Collections.synchronized()來創建的線程安全的容器也是可以的。
2、List的線程安全容器Vector 也是可以使用迭代器的remove()方法進行刪除的。
原文鏈接：http://ifeve.com/java-copy-on-write/
參考文章：http://www.companysz.com/dolphin0520/p/3938914.html