CopyOnWriteArrayList介绍
它相当于线程安全的ArrayList。和ArrayList一样，它是个可变数组；但是和ArrayList不同的时，它具有以下特性：
1. 它最适合于具有以下特征的应用程序：List 大小通常保持很小，只读操作远多于可变操作，需要在遍历期间防止线程间的冲突。
2. 它是线程安全的。
3. 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove() 等等）的开销很大。
4. 迭代器支持hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作。
5. 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。
CopyOnWriteArrayList原理和数据结构
CopyOnWriteArrayList的数据结构，如下图所示：
说明：
1. CopyOnWriteArrayList实现了List接口，因此它是一个队列。
2. CopyOnWriteArrayList包含了成员lock。每一个CopyOnWriteArrayList都和一个互斥锁lock绑定，通过lock，实现了对CopyOnWriteArrayList的互斥访问。
3. CopyOnWriteArrayList包含了成员array数组，这说明CopyOnWriteArrayList本质上通过数组实现的。
下面从“动态数组”和“线程安全”两个方面进一步对CopyOnWriteArrayList的原理进行说明。
1. CopyOnWriteArrayList的“动态数组”机制 -- 它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile数组”。这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因！CopyOnWriteArrayList就是通过这种方式实现的动态数组；不过正由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList效率很
低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。
2. CopyOnWriteArrayList的“线程安全”机制 -- 是通过volatile和互斥锁来实现的。(01) CopyOnWriteArrayList是通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时，总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入；就这样，通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的
保证。(02) CopyOnWriteArrayList通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile数组”中，然后再“释放互斥锁”；这样，就达到了保护数据的目的。
CopyOnWriteArrayList函数列表
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// 创建一个空列表。CopyOnWriteArrayList()// 创建一个按 collection 的迭代器返回元素的顺序包含指定 collection 元素的列表。CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c)// CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) |
创建一个保存给定数组的副本的列表。
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// 将指定元素添加到此列表的尾部。boolean add(E e)// 在此列表的指定位置上插入指定元素。void add(int index, E element)// 按照指定 collection 的迭代器返回元素的顺序，将指定 collection 中的所有元素添加此列表的尾部。boolean addAll(Collection<? extends E> c)// 从指定位置开始，将指定 collection 的所有元素插入此列表。boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)// 按照指定 collection 的迭代器返回元素的顺序，将指定 collection 中尚未包含在此列表中的所有元素添加列表的尾部。int addAllAbsent(Collection<? extends E> c)// 添加元素（如果不存在）。boolean addIfAbsent(E e)// 从此列表移除所有元素。void clear()// 返回此列表的浅表副本。Object clone()// 如果此列表包含指定的元素，则返回 true。boolean contains(Object o)// 如果此列表包含指定 collection 的所有元素，则返回 true。boolean containsAll(Collection<?> c)// 比较指定对象与此列表的相等性。boolean equals(Object o)// 返回列表中指定位置的元素。E get(int index)// 返回此列表的哈希码值。int hashCode()// 返回第一次出现的指定元素在此列表中的索引，从 index 开始向前搜索，如果没有找到该元素，则返回 -1。int indexOf(E e, int index)// 返回此列表中第一次出现的指定元素的索引；如果此列表不包含该元素，则返回 -1。int indexOf(Object o)// 如果此列表不包含任何元素，则返回 true。boolean isEmpty()// 返回以恰当顺序在此列表元素上进行迭代的迭代器。Iterator<E> iterator()// 返回最后一次出现的指定元素在此列表中的索引，从 index 开始向后搜索，如果没有找到该元素，则返回 -1。int lastIndexOf(E e, int index)// 返回此列表中最后出现的指定元素的索引；如果列表不包含此元素，则返回 -1。int lastIndexOf(Object o)// 返回此列表元素的列表迭代器（按适当顺序）。ListIterator<E> listIterator()// 返回列表中元素的列表迭代器（按适当顺序），从列表的指定位置开始。ListIterator<E> listIterator(int index)// 移除此列表指定位置上的元素。E remove(int index)// 从此列表移除第一次出现的指定元素（如果存在）。boolean remove(Object o)// 从此列表移除所有包含在指定 collection 中的元素。boolean removeAll(Collection<?> c)// 只保留此列表中包含在指定 collection 中的元素。boolean retainAll(Collection<?> c)// 用指定的元素替代此列表指定位置上的元素。E set(int index, E element)// 返回此列表中的元素数。int size()// 返回此列表中 fromIndex（包括）和 toIndex（不包括）之间部分的视图。List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)// 返回一个按恰当顺序（从第一个元素到最后一个元素）包含此列表中所有元素的数组。Object[] toArray()// 返回以恰当顺序（从第一个元素到最后一个元素）包含列表所有元素的数组；返回数组的运行时类型是指定数组的运行时类型。<T> T[] toArray(T[] a)// 返回此列表的字符串表示形式。String toString() |
下面我们从“创建，添加，删除，获取，遍历”这5个方面去分析CopyOnWriteArrayList的原理。
1. 创建
CopyOnWriteArrayList共3个构造函数。它们的源码如下：
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public CopyOnWriteArrayList() { setArray(new Object[0]);}public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) { Object[] elements = c.toArray(); if (elements.getClass() != Object[].class) elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class); setArray(elements);}public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) { setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));}说明：这3个构造函数都调用了setArray()，setArray()的源码如下：private volatile transient Object[] array;final Object[] getArray() { return array;}final void setArray(Object[] a) { array = a;} |
说明：setArray()的作用是给array赋值；其中，array是volatile transient Object[]类型，即array是“volatile数组”。
关于volatile关键字，我们知道“volatile能让变量变得可见”，即对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。正在由于这种特性，每次更新了“volatile数组”之后，其它线程都能看到对它所做的更新。
关于transient关键字，它是在序列化中才起作用，transient变量不会被自动序列化。transient不是本文关注的重点，了解即可。
2. 添加
以add(E e)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的添加操作”进行说明。下面是add(E e)的代码：
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public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取“锁” lock.lock(); try { // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。 Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; // 新建一个数组newElements，并将原始数据拷贝到newElements中； // newElements数组的长度=“原始数组的长度”+1 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 将“新增加的元素”保存到newElements中。 newElements[len] = e; // 将newElements赋值给”volatile数组“。 setArray(newElements); return true; } finally { // 释放“锁” lock.unlock(); }} |
说明：add(E e)的作用就是将数据e添加到”volatile数组“中。它的实现方式是，新建一个数组，接着将原始的”volatile数组“的数据拷贝到新数组中，然后将新增数据也添加到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组“。
在add(E e)中有两点需要关注。
第一，在”添加操作“开始前，获取独占锁(lock)，若此时有需要线程要获取锁，则必须等待；在操作完毕后，释放独占锁(lock)，此时其它线程才能获取锁。通过独占锁，来防止多线程同时修改数据！lock的定义如下：
transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
第二，操作完毕时，会通过setArray()来更新”volatile数组“。而且，前面我们提过”即对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入“；这样，每次添加元素之后，其它线程都能看到新添加的元素。
3. 获取
以get(int index)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的删除操作”进行说明。下面是get(int index)的代码：
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public E get(int index) { return get(getArray(), index);}private E get(Object[] a, int index) { return (E) a[index];} |
说明：get(int index)的实现很简单，就是返回”volatile数组“中的第index个元素。
4. 删除
以remove(int index)为例，来对“CopyOnWriteArrayList的删除操作”进行说明。下面是remove(int index)的代码：
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public E remove(int index) { final ReentrantLock lock = this.lock; // 获取“锁” lock.lock(); try { // 获取原始”volatile数组“中的数据和数据长度。 Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; // 获取elements数组中的第index个数据。 E oldValue = get(elements, index); int numMoved = len - index - 1; // 如果被删除的是最后一个元素，则直接通过Arrays.copyOf()进行处理，而不需要新建数组。 // 否则，新建数组，然后将”volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组“。 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 { // 释放“锁” lock.unlock(); }} |
说明：remove(int index)的作用就是将”volatile数组“中第index个元素删除。它的实现方式是，如果被删除的是最后一个元素，则直接通过Arrays.copyOf()进行处理，而不需要新建数组。否则，新建数组，然后将”volatile数组中被删除元素之外的其它元素“拷贝到新数组中；最后，将新数组赋值给”volatile数组“。
和add(E e)一样，remove(int index)也是”在操作之前，获取独占锁；操作完成之后，释放独占是“；并且”在操作完成时，会通过将数据更新到volatile数组中“。
5. 遍历
以iterator()为例，来对“CopyOnWriteArrayList的遍历操作”进行说明。下面是iterator()的代码：
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public Iterator<E> iterator() { return new COWIterator<E>(getArray(), 0);} |
说明：iterator()会返回COWIterator对象。
COWIterator实现额ListIterator接口，它的源码如下：
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private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> { private final Object[] snapshot; private int cursor; private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) { cursor = initialCursor; snapshot = elements; } public boolean hasNext() { return cursor < snapshot.length; } public boolean hasPrevious() { return cursor > 0; } // 获取下一个元素 @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { if (! hasNext()) throw new NoSuchElementException(); return (E) snapshot[cursor++]; } // 获取上一个元素 @SuppressWarnings("unchecked") public E previous() { if (! hasPrevious()) throw new NoSuchElementException(); return (E) snapshot[--cursor]; } public int nextIndex() { return cursor; } public int previousIndex() { return cursor-1; } public void remove() { throw new UnsupportedOperationException(); } public void set(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); } public void add(E e) { throw new UnsupportedOperationException(); }} |
说明：COWIterator不支持修改元素的操作。例如，对于remove(),set(),add()等操作，COWIterator都会抛出异常！
另外，需要提到的一点是，CopyOnWriteArrayList返回迭代器不会抛出ConcurrentModificationException异常，即它不是fail-fast机制的！
CopyOnWriteArrayList示例
下面，我们通过一个例子去对比ArrayList和CopyOnWriteArrayList。
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import java.util.*; import java.util.concurrent.*; /* * CopyOnWriteArrayList是“线程安全”的动态数组，而ArrayList是非线程安全的。 * * 下面是“多个线程同时操作并且遍历list”的示例 * (01) 当list是CopyOnWriteArrayList对象时，程序能正常运行。 * (02) 当list是ArrayList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。 * * */ public class CopyOnWriteArrayListTest1 { // TODO: list是ArrayList对象时，程序会出错。 //private static List<String> list = new ArrayList<String>(); private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>(); public static void main(String[] args) { // 同时启动两个线程对list进行操作！ new MyThread("ta").start(); new MyThread("tb").start(); } private static void printAll() { String value = null; Iterator iter = list.iterator(); while(iter.hasNext()) { value = (String)iter.next(); System.out.print(value+", "); } System.out.println(); } private static class MyThread extends Thread { MyThread(String name) { super(name); } @Override public void run() { int i = 0; while (i++ < 6) { // “线程名” + "-" + "序号" String val = Thread.currentThread().getName()+"-"+i; list.add(val); // 通过“Iterator”遍历List。 printAll(); } } } } |
(某一次)运行结果：
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结果说明：如果将源码中的list改成ArrayList对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
