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java并发容器之CopyOnWriteArrayList

java全栈技术 2018-06-29

内容目录

1.java并发容器之CopyOnWriteArrayList1.1 什么是CopyOnWrite容器1.2 CopyOnWriteArrayList的实现原理1.3 CopyOnWrite的应用场景1.4 CopyOnWrite的缺点

1.java并发容器之CopyOnWriteArrayList

 Copy-On-Write简称COW,是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是,从一开始大家都在共享同一个内容,当某个人想要修改这个内容的时候,才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改,这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用,可以在非常多的并发场景中使用到。

1.1 什么是CopyOnWrite容器

 CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。

1.2 CopyOnWriteArrayList的实现原理

在使用CopyOnWriteArrayList之前,我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向CopyOnWriteArrayList中add方法的实现(向CopyOnWriteArrayList里添加元素),可以发现在添加的时候是需要加锁的,否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

 1public boolean add(E e{
2    final ReentrantLock lock = this.lock;
3    lock.lock();
4    try {
5        Object[] elements = getArray();
6        int len = elements.length;
7        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
8        newElements[len] = e;
9        setArray(newElements);
10        return true;
11    } finally {
12        lock.unlock();
13    }
14    }

  读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据,读还是会读到旧的数据,因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。

1public E get(int index{
2    return get(getArray(), index);
3}

 JDK中并没有提供CopyOnWriteMap,我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个,基本代码如下:

 1import java.util.Collection;
2import java.util.Map;
3import java.util.Set;
4public class CopyOnWriteMap<KVimplements Map<KV>, Cloneable {
5    private volatile Map<K, V> internalMap;
6    public CopyOnWriteMap() {
7        internalMap = new HashMap<K, V>();
8    }
9    public V put(K key, V value) {
10        synchronized (this) {
11            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
12            V val = newMap.put(key, value);
13            internalMap = newMap;
14            return val;
15        }
16    }
17    public V get(Object key) {
18        return internalMap.get(key);
19    }
20    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
21        synchronized (this) {
22            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
23            newMap.putAll(newData);
24            internalMap = newMap;
25        }
26    }
27}

实现很简单,只要了解了CopyOnWrite机制,我们可以实现各种CopyOnWrite容器,并且在不同的应用场景中使用。

1.3 CopyOnWrite的应用场景

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单,黑名单,商品类目的访问和更新场景,假如我们有一个搜索网站,用户在这个网站的搜索框中,输入关键字搜索内容,但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中,黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时,会检查当前关键字在不在黑名单当中,如果在,则提示不能搜索。实现代码如下:

 1/**
2 * 黑名单服务
3 *
4 * @author fangtengfei
5 *
6 */

7public class BlackListServiceImpl {
8    private static CopyOnWriteMap<StringBoolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<StringBoolean>(
9            1000);
10    public static boolean isBlackList(String id) {
11        return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
12    }
13    public static void addBlackList(String id) {
14        blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
15    }
16    /**
17     * 批量添加黑名单
18     *
19     * @param ids
20     */

21    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
22        blackListMap.putAll(ids);
23    }
24}

代码很简单,但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情:

  1. 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。

  2. 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。

1.4 CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点,但是同时也存在两个问题,即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

  • 内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制,所以在进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,旧的对象和新写入的对象(注意:在复制的时候只是复制容器里的引用,只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里,而旧容器的对象还在使用,所以有两份对象内存)。如果这些对象占用的内存比较大,比如说200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会占用300M,那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象,造成了每晚15秒的Full GC,应用响应时间也随之变长。

      针对内存占用问题,可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗,比如,如果元素全是10进制的数字,可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器,而使用其他的并发容器,如ConcurrentHashMap。

  • 数据一致性问题CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。


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