CopyOnWriteArrayList 是如何保证线程安全的？

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前言

大家好，我是小彭。

在上一篇文章里，我们聊到了ArrayList 的线程安全问题，其中提到了 CopyOnWriteArrayList 的解决方法。那么 CopyOnWriteArrayList 是如何解决线程安全问题的，背后的设计思想是什么，今天我们就围绕这些问题展开。

本文源码基于 Java 8 CopyOnWriteArrayList。

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思维导图：

1. 回顾 ArrayList

ArrayList 是基于数组实现的动态数据，是线程不安全的。例如，我们在遍历 ArrayList 的时候，如果其他线程并发修改数组（当然也不一定是被其他线程修改），在迭代器中就会触发 fail-fast 机制，抛出 ConcurrentModificationException 异常。

示例程序

List<String> list = new ArrayList();
list.add("xiao");
list.add("peng");
list.add(".");

Iterator iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    // 可能抛出 ConcurrentModificationException 异常
    iterator.next();
}

要实现线程安全有 3 种方式：

• 方法 1 - 使用 Vector 容器： Vector 是线程安全版本的数组容器，它会在所有方法上增加 synchronized 关键字（过时，了解即可）；
• 方法 2 - 使用 Collections.synchronizedList 包装类
• 方法 3 - 使用 CopyOnWriteArrayList 容器

Collections.synchronizedList 包装类的原理很简单，就是使用 synchronized 加锁，源码摘要如下：

Collections.java

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
    return (list instanceof RandomAccess ?
            new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
            new SynchronizedList<>(list));
}

// 使用 synchronized 实现线程安全
static class SynchronizedList<E> extends SynchronizedCollection<E> implements List<E> {
    final List<E> list;

    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        synchronized (mutex) {return list.equals(o);}
    }
    public int hashCode() {
        synchronized (mutex) {return list.hashCode();}
    }

    public E get(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.get(index);}
    }
    public E set(int index, E element) {
        synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
    }
    public void add(int index, E element) {
        synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
    }
    public E remove(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
    }
		...
}

如果我们将 ArrayList 替换为 CopyOnWriteArrayList，即使其他线程并发修改数组，也不会抛出 ConcurrentModificationException 异常，这是为什么呢？

2. CopyOnWriteArrayList 的特点

CopyOnWriteArrayList 和 ArrayList 都是基于数组的动态数组，封装了操作数组时的搬运和扩容等逻辑。除此之外，CopyOnWriteArrayList 还是用了基于加锁的 “读写分离” 和 “写时复制” 的方案解决线程安全问题：

• 思想 1 - 读写分离（Read/Write Splitting）： 将对资源的读取和写入操作分离，使得读取和写入没有依赖，在 “读多写少” 的场景中能有效减少资源竞争；
• 思想 2 - 写时复制（CopyOnWrite，COW）： 在写入数据时，不直接在原数据上修改，而是复制一份新数据后写入到新数据，最后再替换到原数据的引用上。这个特性各有优缺点：
  • 优点 1 - 延迟处理： 在没有写入操作时不会复制 / 分配资源，能够避免瞬时的资源消耗。例如操作系统的 fork 操作也是一种写时复制的思想；
  • 优点 2 - 降低锁颗粒度： 在写的过程中，读操作不会被影响，读操作也不需要加锁，锁的颗粒度从整个列表降低为写操作；
  • 缺点 1 - 弱数据一致性： 在读的过程中，如果数据被其他线程修改，是无法实时感知到最新的数据变化的；
  • 缺点 2 - 有内存压力： 在写操作中需要复制原数组，在复制的过程中内存会同时存在两个数组对象（只是引用，数组元素的对象还是只有一份），会带来内存占用和垃圾回收的压力。如果是 “写多读少” 的场景，就不适合。

所以，使用 CopyOnWriteArrayList 的场景一定要保证是 “读多写少” 且数据量不大的场景，而且在写入数据的时候，要做到批量操作。否则每个写入操作都会触发一次复制，想想就可怕。举 2 个例子：

• 例如批量写入一组数据，要使用 addAll 方法 批量写入；
• 例如在做排序时，要先输出为 ArrayList，在 ArrayList 上完成排序后再写回 CopyOnWriteArrayList。

3. CopyOnWriteArrayList 源码分析

这一节，我们来分析 CopyOnWriteArrayList 中主要流程的源码。

3.1 CopyOnWriteArrayList 的属性

ArrayList 的属性很好理解，底层是一个 Object 数组，我要举手提问