CopyOnWriteArrayList是JAVA并發(fā)包（java.util.concurrent）中的一個(gè)線程安全的ArrayList實(shí)現(xiàn)。它采用“寫時(shí)復(fù)制”（Copy-On-Write，簡(jiǎn)稱COW）策略來實(shí)現(xiàn)對(duì)列表的高性能讀取和寫操作。CopyOnWriteArrayList適用于讀操作遠(yuǎn)多于寫操作的場(chǎng)景，能有效減少鎖的競(jìng)爭(zhēng)，提高并發(fā)性能。
一、CopyOnWriteArrayList簡(jiǎn)介
1.1 什么是CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList是Java并發(fā)包（java.util.concurrent）中的一個(gè)線程安全的ArrayList實(shí)現(xiàn)。它采用“寫時(shí)復(fù)制”（Copy-On-Write，簡(jiǎn)稱COW）策略來實(shí)現(xiàn)對(duì)列表的高性能讀取和寫操作。CopyOnWriteArrayList適用于讀操作遠(yuǎn)多于寫操作的場(chǎng)景，能有效減少鎖的競(jìng)爭(zhēng)，提高并發(fā)性能。
1.2 為什么需要CopyOnWriteArrayList
在多線程環(huán)境下，對(duì)ArrayList進(jìn)行并發(fā)讀寫操作可能會(huì)引發(fā)線程安全問題。雖然可以使用Vector或者
Collections.synchronizedList()實(shí)現(xiàn)線程安全的列表，但這些方法使用了全局鎖，導(dǎo)致并發(fā)性能降低。為了解決這個(gè)問題，CopyOnWriteArrayList使用了COW策略，在每次修改操作時(shí)，都會(huì)復(fù)制一個(gè)新的副本，從而避免了并發(fā)讀寫時(shí)的鎖競(jìng)爭(zhēng)，提高了并發(fā)讀取性能。
1.3 CopyOnWriteArrayList與ArrayList、Vector的區(qū)別
CopyOnWriteArrayList與ArrayList、Vector有以下主要區(qū)別：
- 線程安全性：CopyOnWriteArrayList是線程安全的，而ArrayList不是；Vector也是線程安全的，但它使用全局鎖，導(dǎo)致性能較差。
- 讀寫性能：CopyOnWriteArrayList具有較高的并發(fā)讀性能，但寫操作性能較差，因?yàn)槊看螌懖僮鞫夹枰獜?fù)制一個(gè)新的副本。ArrayList具有較高的讀寫性能，但在多線程環(huán)境下可能出現(xiàn)線程安全問題。Vector的讀寫性能較差，因?yàn)樗褂萌宙i。
- 內(nèi)存占用：CopyOnWriteArrayList在寫操作時(shí)需要復(fù)制一個(gè)新的副本，因此可能導(dǎo)致較高的內(nèi)存占用。ArrayList和Vector的內(nèi)存占用相對(duì)較低。
- 實(shí)時(shí)性：CopyOnWriteArrayList的迭代器只能獲取到寫操作前的數(shù)據(jù)副本，因此在迭代過程中無法獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。ArrayList和Vector的迭代器可以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但在多線程環(huán)境下可能會(huì)導(dǎo)致線程安全問題。
二、CopyOnWriteArrayList的核心方法
CopyOnWriteArrayList提供了一系列線程安全的列表操作方法。以下是其中的一些核心方法：
2.1 add(E e)
此方法用于將指定的元素添加到列表的末尾。在執(zhí)行此操作時(shí)，會(huì)先復(fù)制一個(gè)新的副本，然后將元素添加到新副本中，最后將新副本賦值給原列表。這樣可以確保讀操作始終在不變的數(shù)據(jù)副本上進(jìn)行，提高并發(fā)讀性能。
2.2 remove(Object o)
此方法用于從列表中移除指定元素的第一個(gè)匹配項(xiàng)。與add()方法類似，它也會(huì)先復(fù)制一個(gè)新的副本，然后從新副本中移除元素，并將新副本賦值給原列表。
2.3 set(int index, E element)
此方法用于替換列表中指定位置的元素。在執(zhí)行此操作時(shí)，同樣會(huì)先復(fù)制一個(gè)新的副本，然后將新元素設(shè)置到新副本的指定位置，并將新副本賦值給原列表。
2.4 get(int index)
此方法用于獲取列表中指定位置的元素。由于CopyOnWriteArrayList使用寫時(shí)復(fù)制策略，讀操作可以直接訪問原列表，而無需擔(dān)心線程安全問題。這使得get()方法具有較高的并發(fā)性能。
2.5 iterator()
此方法用于返回一個(gè)迭代器，用于遍歷列表中的元素。需要注意的是，CopyOnWriteArrayList的迭代器是只讀的，并且返回的迭代器只能訪問到寫操作前的數(shù)據(jù)副本。這意味著在迭代過程中，無法獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及對(duì)列表進(jìn)行修改操作。
三、CopyOnWriteArrayList的使用場(chǎng)景
CopyOnWriteArrayList適用于一些特定的場(chǎng)景，主要體現(xiàn)在以?下幾個(gè)方面：3.1 高并發(fā)讀場(chǎng)景
由于CopyOnWriteArrayList采用寫時(shí)復(fù)制策略，讀操作可以直接訪問原列表，而無需加鎖。這使得CopyOnWriteArrayList在高并發(fā)讀場(chǎng)景下具有較高的性能。當(dāng)讀操作遠(yuǎn)多于寫操作時(shí)，CopyOnWriteArrayList是一個(gè)很好的選擇。
3.2 低頻修改、高頻查詢場(chǎng)景
CopyOnWriteArrayList在每次寫操作時(shí)都會(huì)復(fù)制一個(gè)新的副本，因此寫操作的性能較差。但是，如果對(duì)列表的修改操作較少，而查詢操作頻繁，CopyOnWriteArrayList仍然可以提供良好的性能。在這種場(chǎng)景下，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList來實(shí)現(xiàn)線程安全的列表操作。
3.3 實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)景
CopyOnWriteArrayList的迭代器只能訪問到寫操作前的數(shù)據(jù)副本，因此在迭代過程中無法獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如果應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList。
四、CopyOnWriteArrayList的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用
在實(shí)際開發(fā)過程中，CopyOnWriteArrayList可以用于解決一些特定的問題。以下是一些實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用示例：
4.1 實(shí)現(xiàn)線程安全的觀察者模式
觀察者模式是一種常見的設(shè)計(jì)模式，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)象之間的解耦。在觀察者模式中，通常需要維護(hù)一個(gè)觀察者列表。當(dāng)主題發(fā)生變化時(shí)，需要通知所有的觀察者。在多線程環(huán)境下，使用CopyOnWriteArrayList來存儲(chǔ)觀察者列表可以有效地避免線程安全問題，同時(shí)提高并發(fā)性能。
public class Subject {
private final List<Observer> observers = new CopyOnWriteArrayList<>();
public void addObserver(Observer observer) {
observers.add(observer);
}
public void removeObserver(Observer observer) {
observers.remove(observer);
}
public void notifyObservers(String message) {
for (Observer observer : observers) {
observer.update(message);
}
}
}
4.2 緩存系統(tǒng)中的高性能讀取
在某些緩存系統(tǒng)中，讀取操作的頻率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寫入操作。在這種場(chǎng)景下，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList來存儲(chǔ)緩存的數(shù)據(jù)。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)在保證線程安全的同時(shí)，提高并發(fā)讀取性能。
4.3 在線用戶列表的實(shí)時(shí)維護(hù)
在某些應(yīng)用中，需要實(shí)時(shí)維護(hù)在線用戶列表。由于在線用戶列表的修改操作相對(duì)較少，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList來存儲(chǔ)在線用戶。這樣，在線用戶列表的查詢操作可以實(shí)現(xiàn)較高的并發(fā)性能，而修改操作仍然保持線程安全。
五、CopyOnWriteArrayList的局限性及替代方案
盡管CopyOnWriteArrayList在某些場(chǎng)景下具有優(yōu)勢(shì)，但它仍然存在一些局限性。以下是一些主要的局限性及相應(yīng)的替代方案：
5.1 寫操作性能較低
由于CopyOnWriteArrayList在每次寫操作時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)副本，因此寫操作的性能較低。當(dāng)寫操作頻繁時(shí)，CopyOnWriteArrayList的性能可能不盡如人意。
替代方案：可以考慮使用Collections.synchronizedList()來包裝一個(gè)普通的ArrayList。這樣，寫操作會(huì)在原列表上進(jìn)行，并通過加鎖來保證線程安全。但需要注意，這種方法的并發(fā)讀性能可能不如CopyOnWriteArrayList。
5.2 內(nèi)存占用較高
由于CopyOnWriteArrayList在執(zhí)行寫操作時(shí)需要復(fù)制整個(gè)數(shù)據(jù)副本，因此它可能占用較多的內(nèi)存。在內(nèi)存資源有限的場(chǎng)景下，CopyOnWriteArrayList可能不是一個(gè)理想的選擇。
替代方案：可以使用ConcurrentLinkedQueue或ConcurrentSkipListSet等具有較低內(nèi)存占用的線程安全集合，但這些集合在功能和性能上可能有所差異。
5.3 迭代器實(shí)時(shí)性差
CopyOnWriteArrayList的迭代器只能訪問到寫操作前的數(shù)據(jù)副本，因此在迭代過程中無法獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這可能導(dǎo)致在某些場(chǎng)景下數(shù)據(jù)不一致的問題。
替代方案：可以使用ConcurrentHashMap的keySet或者ConcurrentSkipListSet等具有實(shí)時(shí)迭代器的線程安全集合。這些集合的迭代器可以在一定程度上提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
六、CopyOnWriteArrayList在實(shí)際項(xiàng)目中的最佳實(shí)踐
在實(shí)際項(xiàng)目中，為了充分發(fā)揮CopyOnWriteArrayList的優(yōu)勢(shì)并避免其局限性，可以遵循以下幾個(gè)最佳實(shí)踐：
6.1 適用場(chǎng)景選擇
在選擇CopyOnWriteArrayList時(shí)，首先要確保當(dāng)前場(chǎng)景適用。如果讀操作遠(yuǎn)多于寫操作，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，那么CopyOnWriteArrayList可以發(fā)揮出較高的并發(fā)性能。
6.2 合理控制寫操作
由于CopyOnWriteArrayList在寫操作時(shí)會(huì)復(fù)制整個(gè)列表，因此在項(xiàng)目中應(yīng)盡量減少寫操作的頻率。可以通過批量處理、延遲更新等策略來降低寫操作的頻率。
6.3 避免大量數(shù)據(jù)的拷貝
在CopyOnWriteArrayList中，數(shù)據(jù)量較大時(shí)，寫操作可能導(dǎo)致較大的性能開銷。可以考慮將大量數(shù)據(jù)拆分成多個(gè)較小的CopyOnWriteArrayList，以降低每次寫操作的復(fù)制開銷。
6.4 使用其他線程安全集合作為替代方案
在某些場(chǎng)景下，CopyOnWriteArrayList可能不是最佳選擇。例如，當(dāng)寫操作較頻繁、內(nèi)存資源有限或需要實(shí)時(shí)迭代器時(shí)，可以考慮使用其他線程安全集合，如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue或ConcurrentSkipListSet等。
6.5 關(guān)注性能監(jiān)控和調(diào)優(yōu)
在使用CopyOnWriteArrayList時(shí)，應(yīng)關(guān)注其性能表現(xiàn)，通過性能監(jiān)控工具了解其在實(shí)際場(chǎng)景中的表現(xiàn)。根據(jù)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，例如調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化寫操作策略等，以確保CopyOnWriteArrayList在項(xiàng)目中發(fā)揮出最佳性能。
