java並行資料結構之CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是一個執行緒安全的List實現，其在對物件進行讀操作時，由於物件沒有發生改變，因此不需要加鎖，反之在物件進行增刪等修改操作時，它會先複製一個物件副本，然後對副本進行修改，最後將修改後的副本物件寫回，從而保證操作的執行緒安全,下面我們看一下具體的程式碼實現。

###建構函式

通過CopyOnWriteArrayList連結串列的構造，可以看出主要是依賴ReentrantLock與陣列實現執行緒安全的連結串列

/** The lock protecting all mutators */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
    private transient volatile Object[] array;

     /**
     * Creates an empty list.
     */
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }

寫操作

add實現

add是一個標準的使用ReentrantLock加鎖保證執行緒安全操作的實現

    /**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();//加鎖
        try {
            Object[] elements = getArray();//獲取自身陣列物件
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//copy一個副本物件
            newElements[len] = e;//賦值
            setArray(newElements);//把物件寫回去
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();//釋放鎖
        }
    }

    /**
     * Inserts the specified element at the specified position in this
     * list. Shifts the element currently at that position (if any) and
     * any subsequent elements to the right (adds one to their indices).
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public void add(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();//獲取自身陣列物件
            int len = elements.length;
            if (index > len || index < 0)//判斷是否越界
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                    ", Size: "+len);
            Object[] newElements;
            int numMoved = len - index;//計算需要移動的陣列長度
            if (numMoved == 0)
                newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            else {
                newElements = new Object[len + 1];
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                                 numMoved);
            }
            newElements[index] = element;//賦值
            setArray(newElements);//把物件寫回去
        } finally {
            lock.unlock();//釋放鎖
        }
    }

remove實現

在remove的實現中我們可以看到在實際執行操作之前，會對物件的執行緒安全進行再次檢查，另外在執行定位下標操作時基於原有下標進行分段定位的優化，一定概率上會降低迴圈複雜度

public E remove(int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();//加鎖
        try {
            Object[] elements = getArray();//獲取自身陣列物件
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(elements, index);//根據下標取值
            int numMoved = len - index - 1;//計算需要移動的陣列長度
            if (numMoved == 0)
                setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
            else {
                Object[] newElements = new Object[len - 1];//宣告一個新陣列
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                 numMoved);
                setArray(newElements);
            }
            return oldValue;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public boolean remove(Object o) {
        Object[] snapshot = getArray();
        int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);//遍歷陣列定位元素下標
        return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
    }

    /**
     * A version of remove(Object) using the strong hint that given
     * recent snapshot contains o at the given index.
     */
    private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();//加鎖
        try {
            Object[] current = getArray();
            int len = current.length;
            //以下這段程式碼保證傳輸執行緒安全，再次對陣列是否發生改變進行判斷，如果發生改變進行分段輪詢，提高效率
            if (snapshot != current) findIndex: {//這裡判斷陣列是否已經被修改，如果有修改就重新定位下標
                int prefix = Math.min(index, len);//取最小值
                for (int i = 0; i < prefix; i++) {//提高效率先按最小回圈次數遍歷
                    if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {
                        index = i;
                        break findIndex;
                    }
                }
                if (index >= len)//下標超過當前陣列長度返回false
                    return false;
                if (current[index] == o)//下標未改變，直接返回
                    break findIndex;
                index = indexOf(o, current, index, len);//遍歷剩餘部分
                if (index < 0)
                    return false;
            }
            Object[] newElements = new Object[len - 1];//建立一個長度len - 1的陣列，執行復制操作
            System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(current, index + 1,
                             newElements, index,
                             len - index - 1);
            setArray(newElements);//覆蓋原陣列
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

讀操作

讀操作非常簡單，無需加鎖

/**
     * {@inheritDoc}
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

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

      通過對原始碼的分析，可以看到CopyOnWriteArrayList只在需要保證執行緒安全的寫操作上加鎖，核心思想就是減少鎖競爭，從而提高並行時的讀取效能，適用於寫少讀多的應用場景。

      以上就是對CopyOnWriteArrayList內部核心原始碼的基本走讀與解析，其執行緒安全的實現模式很有代表意義，十分值得初學者參考與學習，希望對大家能有所幫助，其中如有不足與不正確的地方還望指正與海涵，十分感謝。

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