Java中CopyOnWrite容器的原理是什么

Java中CopyOnWrite容器的原理是什么，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

什么是CopyOnWrite容器

CopyOnWrite容器即寫時復制的容器。通俗的理解是當我們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，復制出一個新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行并發的讀，而不需要加鎖，因為當前容器不會添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的實現原理

在使用CopyOnWriteArrayList之前，我們先閱讀其源碼了解下它是如何實現的。以下代碼是向ArrayList里添加元素，可以發現在添加的時候是需要加鎖的，否則多線程寫的時候會Copy出N個副本出來。

public boolean add(T e) {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lock();
  try {
 
    Object[] elements = getArray();
 
    int len = elements.length;
    // 復制出新數組
 
    Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
    // 把新元素添加到新數組里
 
    newElements[len] = e;
    // 把原數組引用指向新數組
 
    setArray(newElements);
 
    return true;
 
  } finally {
 
    lock.unlock();
  }
}
final void setArray(Object[] a) {
  array = a;
}

讀的時候不需要加鎖，如果讀的時候有多個線程正在向ArrayList添加數據，讀還是會讀到舊的數據，因為寫的時候不會鎖住舊的ArrayList。

public E get(int index) {
  return get(getArray(), index);
}

JDK中并沒有提供CopyOnWriteMap，我們可以參考CopyOnWriteArrayList來實現一個，基本代碼如下：

import java.util.Collection;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
 
public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
  private volatile Map<K, V> internalMap;
 
  public CopyOnWriteMap() {
    internalMap = new HashMap<K, V>();
  }
 
  public V put(K key, V value) {
 
    synchronized (this) {
      Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
      V val = newMap.put(key, value);
      internalMap = newMap;
      return val;
    }
  }
 
  public V get(Object key) {
    return internalMap.get(key);
  }
 
  public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
    synchronized (this) {
      Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
      newMap.putAll(newData);
      internalMap = newMap;
    }
  }
}

實現很簡單，只要了解了CopyOnWrite機制，我們可以實現各種CopyOnWrite容器，并且在不同的應用場景中使用。

CopyOnWrite的應用場景

CopyOnWrite并發容器用于讀多寫少的并發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜索網站，用戶在這個網站的搜索框中，輸入關鍵字搜索內容，但是某些關鍵字不允許被搜索。這些不能被搜索的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當用戶搜索時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中，如果在，則提示不能搜索。實現代碼如下：

package com.ifeve.book;
 
import java.util.Map;
 
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
 
/**
 * 黑名單服務
 *
 * @author fangtengfei
 *
 */
public class BlackListServiceImpl {
 
  private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
      1000);
 
  public static boolean isBlackList(String id) {
    return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
  }
 
  public static void addBlackList(String id) {
    blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
  }
 
  /**
   * 批量添加黑名單
   *
   * @param ids
   */
  public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
    blackListMap.putAll(ids);
  }
 
}

代碼很簡單，但是使用CopyOnWriteMap需要注意兩件事情：

1. 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時CopyOnWriteMap擴容的開銷。

2. 使用批量添加。因為每次添加，容器每次都會進行復制，所以減少添加次數，可以減少容器的復制次數。如使用上面代碼里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺點

CopyOnWrite容器有很多優點，但是同時也存在兩個問題，即內存占用問題和數據一致性問題。所以在開發的時候需要注意一下。

內存占用問題。因為CopyOnWrite的寫時復制機制，所以在進行寫操作的時候，內存里會同時駐扎兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意:在復制的時候只是復制容器里的引用，只是在寫的時候會創建新對象添加到新容器里，而舊容器的對象還在使用，所以有兩份對象內存）。如果這些對象占用的內存比較大，比如說200M左右，那么再寫入100M數據進去，內存就會占用300M，那么這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由于每晚使用CopyOnWrite機制更新大對象，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也隨之變長。

針對內存占用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大對象的內存消耗，比如，如果元素全是10進制的數字，可以考慮把它壓縮成36進制或64進制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并發容器，如ConcurrentHashMap。

數據一致性問題。CopyOnWrite容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。所以如果你希望寫入的的數據，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。

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