[并发集合] CopyOnWriteArrayList源码分析
1 简介
CopyOnWriteArrayList是ArrayList的线程安全版本，其内部是通过数组实现，每次对数组的修改都完全拷贝一份新的数组来修改，修改完再替换掉老数组，这样保证了只阻塞写操作，不阻塞读操作，实现读写分离。
2 实现接口
- 实现了List接口，提供了基础的添加、删除、遍历等操作
- 实现了RandomAccess，提供了随机访问的能力
- 实现了Cloneable，可以被克隆
- 实现了Serializable，可以被序列化
3 源码解析
/** The lock protecting all mutators */
// 用于修改时加锁
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
// 真正存储元素的地方,只能通过setArray()/getArray()访问
private transient volatile Object[] array;
都使用transient修饰，表示不自动序列化。
4 构造方法
默认构造方法：
public CopyOnWriteArrayList() {
// 所有对array的操作都是通过setArray()和getArray()进行
setArray(new Object[0]);
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
参数类型为Collection的构造方法：
如果参数c是CopyOnWriteArrayList类型，直接将它的数组赋值给当前list的数组，注意这里是浅拷贝，两个集合共用同一个数组。
如果参数c不是CopyOnWriteArrayList类型，则进行拷贝把c的元素全部拷贝到当前list的数组中。
(Arrays的copyOf()方法传回的数组是新的数组对象，改变传回数组中的元素值，不会影响原来的数组)
public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
Object[] elements;
if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
// 如果c也是CopyOnWriteArrayList类型
// 直接将它的数组拿过来用,这里是浅拷贝
elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
else {
// 否则的话,调用toArray将集合元素转成数组
elements = c.toArray();
// c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
// 这里c.toArray()返回的不一定是Object[]类型
if (elements.getClass() != Object[].class)
elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
}
setArray(elements);
}
参数类型为数组的构造方法：
将toCopyIn的元素拷贝给当前list的数组。
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}
5 add(E e)方法
添加一个元素到末尾
public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 将旧数组元素拷贝到新数组中
// 新数组大小是旧数组大小+1
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 将元素放在最后一位
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
6 add(int index, E element)方法
public void add(int index, E element) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 获取旧数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 检查是否越界,可以等于len
if (index > len || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
", Size: "+len);
Object[] newElements;
int numMoved = len - index;
if (numMoved == 0)
// 如果插入的位置是最后一位
// 那么拷贝一个n+1的数组,其前n个元素与旧数组一致
newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
else {
// 如果插入的位置不是最后一位,新建一个n+1的数组
newElements = new Object[len + 1];
// 拷贝旧数组前index的元素到新数组中
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
// 将index及其之后的元素往后挪一位到新数组中
// 这样正好index位置是空出来的
System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
numMoved);
}
// 将元素放置在index处
newElements[index] = element;
setArray(newElements);
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
System.arraycopy(Object src, int srcPos,Object dest, int destPos,int length)方法，参数分别是：1 原数组 2 从原数据的起始位置开始 3 目标数组 4 目标数组的开始起始位置 5 要copy的数组的长度
7 addIfAbsent(E e) 方法
添加一个元素,如果这个元素不存在集合中
public boolean addIfAbsent(E e) {
// 获取元素数组
Object[] snapshot = getArray();
// 检查如果元素存在,直接返回false
// 如果不存在再调用addIfAbsent方法添加元素
return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
addIfAbsent(e, snapshot);
}
调用内部的addIfAbsent方法
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 获取旧数组
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
// 如果快照与刚获取的数组不一致,说明有修改
if (snapshot != current) {
// Optimize for lost race to another addXXX operation
// 重新检查元素是否在刚获取的数组里面
int common = Math.min(snapshot.length, len);
for (int i = 0; i < common; i++)
// 到这个方法里面了, 说明元素在快照里面
if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
return false;
if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
return false;
}
// 拷贝一份n+1的数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
// 将元素放在最后一位
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
8 get(int index) 方法
获取指定索引的元素，支持随机访问，时间复杂度为o(1)
public E get(int index) {
// 获取元素不需要加锁
// 直接返回index位置的元素
return get(getArray(), index);
}
final Object[] getArray() {
return array;
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
9 remove(int index) 方法
public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 获取旧数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 获取指定index的旧元素
E oldValue = get(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
// 如果移除的是最后一位
// 那么直接拷贝一份n-1的新数组,最后一位就自动删除了
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
// 如果移除的不是最后一位
// 那么新建一个n-1的新数组
Object[] newElements = new Object[len - 1];
// 将前index的元素拷贝到新数组中
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
// 将index后面(不包含)的元素往前挪一位
// 这样正好把index位置覆盖掉了, 相当于删除了
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}
10 总结
（1）CopyOnWriteArrayList使用ReentrantLock重入锁加锁，保证线程安全；
（2）CopyOnWriteArrayList的写操作都要先拷贝一份新数组，在新数组中做修改，修改完了再用新数组替换老数组，所以空间复杂度是O(n)，性能比较低下；
（3）CopyOnWriteArrayList的读操作支持随机访问，时间复杂度为O(1)；
（4）CopyOnWriteArrayList采用读写分离的思想，读操作不加锁，写操作加锁，且写操作占用较大内存空间，所以适用于读多写少的场合；
（5）CopyOnWriteArrayList只保证最终一致性，不保证实时一致性【当执行add或remove操作没完成时，get获取的仍然是旧数组的元素】
面试问题：
- 为什么CopyOnWriteArrayList没有size属性？
不像ArrayList数组的长度实际是要大于集合的大小的，对于CopyOnWriteArrayList，每次修改都是拷贝一份正好可以存储目标个数元素的数组，所以不需要size属性了，数组的长度就是集合的大小
2.CopyOnWriteArrayList是怎么保证并发安全的？
在添加数据时，利用可重入锁ReentrantLock,先复制底层数组，进行写操作(添加或者删除)，最后利用新数组替换旧数组，再释放锁。
3.CopyOnWriteArrayList的实现采用了什么思想？
是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。
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。
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。
CopyOnWriteArrayList中add/remove等写方法是需要加锁的，目的是为了避免Copy出N个副本出来，导致并发写。
我们可以并发读，但是读到的数据可能不是最新的。
4.CopyOnWriteArrayList是不是强一致性的？
不是强一致性的，读操作不是加锁的，如果同时有写操作在进行，可能读的是旧容器，是旧值，所以是最终一致性，并不是强一致性。
5.CopyOnWriteArrayList适用于什么样的场景？
采用读写分离的思想，读操作不加锁，写操作加锁，且写操作占用较大内存空间，适用于读多写少的场景
6.CopyOnWriteArrayList插入、删除、查询元素的时间复杂度各是多少？
插入，删除的时间复杂度：O(n)
查询的时间复杂度：O(1)
