【死磕 Java 集合】— CopyOnWriteArrayList源码分析

撸了今年阿里、腾讯和美团的面试,我有一个重要发现…….

作者:彤哥

出处:https://www.cnblogs.com/tong-yuan/


简介

CopyOnWriteArrayList是ArrayList的线程安全版本,内部也是通过数组实现,每次对数组的修改都完全拷贝一份新的数组来修改,修改完了再替换掉老数组,这样保证了只阻塞写操作,不阻塞读操作,实现读写分离。

继承体系

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList实现了List, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable等接口。

CopyOnWriteArrayList实现了List,提供了基础的添加、删除、遍历等操作。

CopyOnWriteArrayList实现了RandomAccess,提供了随机访问的能力。

CopyOnWriteArrayList实现了Cloneable,可以被克隆。

CopyOnWriteArrayList实现了Serializable,可以被序列化。

源码解析

属性

/** 用于修改时加锁 */
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

/** 真正存储元素的地方,只能通过getArray()/setArray()访问 */
private transient volatile Object[] array;

(1)lock

用于修改时加锁,使用transient修饰表示不自动序列化。

(2)array

真正存储元素的地方,使用transient修饰表示不自动序列化,使用volatile修饰表示一个线程对这个字段的修改另外一个线程立即可见。

问题:为啥没有size字段?且听后续分解。

CopyOnWriteArrayList()构造方法

创建空数组。

public CopyOnWriteArrayList() {
    // 所有对array的操作都是通过setArray()和getArray()进行
    setArray(new Object[0]);
}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}

CopyOnWriteArrayList 构造方法

如果c是CopyOnWriteArrayList类型,直接把它的数组赋值给当前list的数组,注意这里是浅拷贝,两个集合共用同一个数组。

如果c不是CopyOnWriteArrayList类型,则进行拷贝把c的元素全部拷贝到当前list的数组中。

public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
    Object[] elements;
    if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
        // 如果c也是CopyOnWriteArrayList类型
        // 那么直接把它的数组拿过来使用
        elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
    else {
        // 否则调用其toArray()方法将集合元素转化为数组
        elements = c.toArray();
        // 这里c.toArray()返回的不一定是Object[]类型
        // 详细原因见ArrayList里面的分析
        if (elements.getClass() != Object[].class)
            elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
    }
    setArray(elements);
}

CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn)构造方法

把toCopyIn的元素拷贝给当前list的数组。

public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}

add(E e)方法

添加一个元素到末尾。

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取旧数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 将旧数组元素拷贝到新数组中
        // 新数组大小是旧数组大小加1
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 将元素放在最后一位
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

(1)加锁;

(2)获取元素数组;

(3)新建一个数组,大小为原数组长度加1,并把原数组元素拷贝到新数组;

(4)把新添加的元素放到新数组的末尾;

(5)把新数组赋值给当前对象的array属性,覆盖原数组;

(6)解锁;

add(int index, E element)方法

添加一个元素在指定索引处。

public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取旧数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 检查是否越界, 可以等于len
        if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        Object[] newElements;
        int numMoved = len - index;
        if (numMoved == 0)
            // 如果插入的位置是最后一位
            // 那么拷贝一个n+1的数组, 其前n个元素与旧数组一致
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        else {
            // 如果插入的位置不是最后一位
            // 那么新建一个n+1的数组
            newElements = new Object[len + 1];
            // 拷贝旧数组前index的元素到新数组中
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            // 将index及其之后的元素往后挪一位拷贝到新数组中
            // 这样正好index位置是空出来的
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        }
        // 将元素放置在index处
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

(1)加锁;

(2)检查索引是否合法,如果不合法抛出IndexOutOfBoundsException异常,注意这里index等于len也是合法的;

(3)如果索引等于数组长度(也就是数组最后一位再加1),那就拷贝一个len+1的数组;

(4)如果索引不等于数组长度,那就新建一个len+1的数组,并按索引位置分成两部分,索引之前(不包含)的部分拷贝到新数组索引之前(不包含)的部分,索引之后(包含)的位置拷贝到新数组索引之后(不包含)的位置,索引所在位置留空;

(5)把索引位置赋值为待添加的元素;

(6)把新数组赋值给当前对象的array属性,覆盖原数组;

(7)解锁;

addIfAbsent(E e)方法

添加一个元素如果这个元素不存在于集合中。

public boolean addIfAbsent(E e) {
    // 获取元素数组, 取名为快照
    Object[] snapshot = getArray();
    // 检查如果元素不存在,直接返回false
    // 如果存在再调用addIfAbsent()方法添加元素
    return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
        addIfAbsent(e, snapshot);
}

private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 重新获取旧数组
        Object[] current = getArray();
        int len = current.length;
        // 如果快照与刚获取的数组不一致
        // 说明有修改
        if (snapshot != current) {
            // 重新检查元素是否在刚获取的数组里
            int common = Math.min(snapshot.length, len);
            for (int i = 0; i < common; i++)
                // 到这个方法里面了, 说明元素不在快照里面
                if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
                    return false;
            if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
                    return false;
        }
        // 拷贝一份n+1的数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
        // 将元素放在最后一位
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

(1)检查这个元素是否存在于数组快照中;

(2)如果存在直接返回false,如果不存在调用addIfAbsent(E e, Object[] snapshot)处理;

(3)加锁;

(4)如果当前数组不等于传入的快照,说明有修改,检查待添加的元素是否存在于当前数组中,如果存在直接返回false;

(5)拷贝一个新数组,长度等于原数组长度加1,并把原数组元素拷贝到新数组中;

(6)把新元素添加到数组最后一位;

(7)把新数组赋值给当前对象的array属性,覆盖原数组;

(8)解锁;

get(int index)

获取指定索引的元素,支持随机访问,时间复杂度为O(1)。

public E get(int index) {
    // 获取元素不需要加锁
    // 直接返回index位置的元素
    // 这里是没有做越界检查的, 因为数组本身会做越界检查
    return get(getArray(), index);
}

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

private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

(1)获取元素数组;

(2)返回数组指定索引位置的元素;

remove(int index)方法

删除指定索引位置的元素。

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取旧数组
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0)
            // 如果移除的是最后一位
            // 那么直接拷贝一份n-1的新数组, 最后一位就自动删除了
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            // 如果移除的不是最后一位
            // 那么新建一个n-1的新数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            // 将前index的元素拷贝到新数组中
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            // 将index后面(不包含)的元素往前挪一位
            // 这样正好把index位置覆盖掉了, 相当于删除了
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

(1)加锁;

(2)获取指定索引位置元素的旧值;

(3)如果移除的是最后一位元素,则把原数组的前len-1个元素拷贝到新数组中,并把新数组赋值给当前对象的数组属性;

(4)如果移除的不是最后一位元素,则新建一个len-1长度的数组,并把原数组除了指定索引位置的元素全部拷贝到新数组中,并把新数组赋值给当前对象的数组属性;

(5)解锁并返回旧值;

size()方法

返回数组的长度。

public int size() {
    // 获取元素个数不需要加锁
    // 直接返回数组的长度
    return getArray().length;
}

总结

(1)CopyOnWriteArrayList使用ReentrantLock重入锁加锁,保证线程安全;

(2)CopyOnWriteArrayList的写操作都要先拷贝一份新数组,在新数组中做修改,修改完了再用新数组替换老数组,所以空间复杂度是O(n),性能比较低下;

(3)CopyOnWriteArrayList的读操作支持随机访问,时间复杂度为O(1);

(4)CopyOnWriteArrayList采用读写分离的思想,读操作不加锁,写操作加锁,且写操作占用较大内存空间,所以适用于读多写少的场合;

(5)CopyOnWriteArrayList只保证最终一致性,不保证实时一致性;

彩蛋

为什么CopyOnWriteArrayList没有size属性?

因为每次修改都是拷贝一份正好可以存储目标个数元素的数组,所以不需要size属性了,数组的长度就是集合的大小,而不像ArrayList数组的长度实际是要大于集合的大小的。

比如,add(E e)操作,先拷贝一份n+1个元素的数组,再把新元素放到新数组的最后一位,这时新数组的长度为len+1了,也就是集合的size了。

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评论 1

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  1. #1

    addIfAbsent(E e)方法注释写错了,如果元素存在,才返回false

    小菜鸡3个月前 (05-31)回复

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