Java併發編程：併發容器之CopyOnWriteArrayList

　　Copy-On-Write簡稱COW，是一種用於程序設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始大家都在共享同一個內容，當某個人想要修改這個內容的時候，纔會真正把內容Copy出去形成一個新的內容然後再改，這是一種延時懶惰策略。從JDK1.5開始Java併發包裏提供了兩個使用CopyOnWrite機制實現的併發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的併發場景中使用到。

什麼是CopyOnWrite容器

　　CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。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，複製出一個新的容器，然後新的容器裏添加元素，添加完元素之後，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容器進行併發的讀，而不需要加鎖，因爲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，我們先閱讀其源碼瞭解下它是如何實現的。以下代碼是向CopyOnWriteArrayList中add方法的實現（向CopyOnWriteArrayList裏添加元素），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。
　　

/**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    }

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

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

　　JDK中並沒有提供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，只要瞭解了CopyOnWrite機制，我們可以實現各種CopyOnWrite容器，並且在不同的應用場景中使用。

CopyOnWrite的應用場景

　　CopyOnWrite併發容器用於讀多寫少的併發場景。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。因爲每次添加，容器每次都會進行復制，所以減少添加次數，可以減少容器的複製次數。如使用上面代碼裏的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，即內存佔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。

　　內存佔用問題。因爲CopyOnWrite的寫時複製機制，所以在進行寫操作的時候，內存裏會同時駐紮兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意:在複製的時候只是複製容器裏的引用，只是在寫的時候會創建新對象添加到新容器裏，而舊容器的對象還在使用，所以有兩份對象內存）。如果這些對象佔用的內存比較大，比如說200M左右，那麼再寫入100M數據進去，內存就會佔用300M，那麼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於每晚使用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。

　　針對內存佔用問題，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，而使用其他的併發容器，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。

　　下面這篇文章驗證了CopyOnWriteArrayList和同步容器的性能：

　　http://blog.csdn.net/wind5shy/article/details/5396887

　　下面這篇文章簡單描述了CopyOnWriteArrayList的使用：

　　http://blog.csdn.net/imzoer/article/details/9751591
　　

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