因为不知道Java的CopyOnWriteArrayList，面试官让我回去等通知
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2020-07-29 13:21
hello，同学们，大家好，我是沉默王二，在我为数不多的面试经历中，有一位姓马的面试官令我印象深刻，九年过去了，我还能记得他为数不多的发量。
老马：“兄弟，ArrayList 是线程安全的吗？”
王二：“不是啊。”
老马：“那有没有线程安全的 List？”
王二：“有啊，Vector。”
老马：“还有别的吗？”
王二：“Vector 不就够用了吗？”
老马看了一下左手腕上的表，说道：“今天差不多就到这里吧，你回去等通知。”
（不是，我特么不是刚进来，就回答了三个问题而已，就到这了？）
现在回想起来当时一脸懵逼的样子，脸上情不自禁地泛起了红晕，老马的意思是让我说说 Java 的 CopyOnWriteArrayList，可惜我当时几乎没怎么用过这个类，也不知道它就是个线程安全的 List，惭愧啊惭愧。
（地上有坑吗？我想跳进去。）
真正的勇士敢于直面过去的惨淡，经过这么多年的努力，我的技术功底已经大有长进了，是时候输出一波伤害了。希望这篇文章能够给不太了解 CopyOnWriteArrayList 的同学一点点帮助，到时候给面试官一个好看。
注：我用的是 OpenJDK 14。
01、Vector
Vector 的源码文档上直截了当地说了，“如果不需要线程安全，推荐使用 ArrayList 替代 Vector。”说实话，在我十多年的编程生涯中，的确很少使用 Vector，因为它的线程安全是建立在每个方法上都加了 synchronized 关键字的基础上，锁的粒度很高，意味着性能就不咋滴。
public synchronized boolean add(E e) {
modCount++;
add(e, elementData, elementCount);
return true;
}
public synchronized E remove(int index) {
modCount++;
if (index >= elementCount)
throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = elementCount - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
就连 size() 这样的方法上都加了 synchronized，可想而知，Vector 有多铺张浪费，有多锦衣玉食。
如果对 synchronized 关键字不太了解的话，可以点击下面的链接查看我之前写的一篇文章。
高并发的情况下，一般都要求性能要给力，Vector 显然不够格，所以被遗忘在角落也是“罪有应得”啊。
02、SynchronizedList
那有些同学可能会说，可以使用 Collections.synchronizedList() 让 ArrayList 变成线程安全啊。
public static List synchronizedList(List list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new Collections.SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new Collections.SynchronizedList<>(list));
}
无论是 SynchronizedRandomAccessList 还是 SynchronizedList，它们都没有在方法级别上使用 synchronized 关键字，而是在方法体内使用了 synchronized(this) 块。
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}
其中 mutex 为 this 关键字，也就是当前对象。
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedCollection(Collection c) {
this.c = Objects.requireNonNull(c);
mutex = this;
}
03、ConcurrentModificationException
ConcurrentModificationException 这个异常不知道同学们有没有遇到过？我先来敲段代码让它发生一次，让同学们认识一下。
List list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
for (String str : list) {
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
运行这段代码就会抛出 ConcurrentModificationException：
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.base/java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:1012)
at java.base/java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:966)
通过异常的堆栈信息可以查找到，异常发生在 ArrayList 的内部类 Itr 的 checkForComodification() 方法中。
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
也就是说，在执行 checkForComodification() 方法的时候，发现 modCount 和 expectedModCount 不等，就抛出了 ConcurrentModificationException 异常。
为什么会这样呢？之前的代码也没有调用 checkForComodification() 方法啊！
那就只能来看一下反编译后的字节码了，原来 for-each 这个语法糖是通过 Iterator 实现的。
List list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
Iterator var3 = list.iterator();
while (var3.hasNext()) {
String str = (String) var3.next();
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
在执行 list.iterator() 的时候，其实返回的就是 ArrayList 的内部类 Itr。
public Iterator iterator() {
return new ArrayList.Itr();
}
迭代器 Iterator 是 fail-fast 的，如果以任何方式（包括 remove 和
add）对迭代器进行修改的话，就会抛出 ConcurrentModificationException。
迭代器在执行 remove() 方法的时候，会对 modCount 加 1。remove() 方法内部会调用 fastRemove() 方法。
private void fastRemove(Object[] es, int i) {
modCount++;
final int newSize;
if ((newSize = size - 1) > i)
System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
es[size = newSize] = null;
}
当在进行下一次 next() 会执行 checkForComodification() 方法，结果发现 modCount 为 4，而 expectedModCount 为 3，于是就抛出了异常。
之所以在单线程的情况下就抛出 ConcurrentModificationException，就是为了在多线程并发的情况下，不冒任何的危险，提前规避掉其他线程对 List 修改的可能性。
ArrayList 返回的迭代器是 fail-fast 的，Vector 的也是，SynchronizedList 的也是。这就意味着它们在多线程环境下通过 for-each 遍历进行增删操作的时候会出问题。
04、CopyOnWriteArrayList
瞧，为了引出 CopyOnWriteArrayList，我花了多少心思。
List list = new CopyOnWriteArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
for (String str : list) {
if ("沉默王二".equals(str)) {
list.remove(str);
}
}
System.out.println(list);
把 ArrayList 换成 CopyOnWriteArrayList，程序就能够正常执行了，输出结果如下所示。
[沉默王三, 一个文章真特么有趣的程序员]
之所以不抛出 ConcurrentModificationException 异常，是因为 CopyOnWriteArrayList 是 fail-safe 的，迭代器遍历的是原有的数组，remove 的时候 remove 的是复制后的新数组，然后再将新数组赋值给原有的数组。
不过，任何在获取迭代器之后对 CopyOnWriteArrayList 的修改将不会及时反映迭代器里。
CopyOnWriteArrayList list1 =
new CopyOnWriteArrayList<>(new String[] {"沉默王二", "沉默王三"});
Iterator itr = list1.iterator();
list1.add("沉默王四");
while(itr.hasNext()) {
System.out.print(itr.next() + " ");
}
沉默王四并不会出现在输出结果中。
沉默王二 沉默王三
ArrayList 的迭代器 Itr 是支持 remove 的。
List list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
Iterator var3 = list.iterator();
while (var3.hasNext()) {
String str = (String) var3.next();
if ("沉默王二".equals(str)) {
var3.remove();
}
}
System.out.println(list);
程序输出的结果如下所示：
[沉默王三, 一个文章真特么有趣的程序员]
而 CopyOnWriteArrayList 的迭代器 COWIterator 是不支持 remove 的。
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
CopyOnWriteArrayList 实现了 List 接口，不过，它不在 java.util 包下，而在 java.util.concurrent 包下，算作是 ArrayList 的增强版，线程安全的。
顾名思义，CopyOnWriteArrayList 在进行写操作（add、set、remove）的时候会先进行拷贝，底层是通过数组复制来实现的。
Java 8 的时候，CopyOnWriteArrayList 的增删改操作方法使用的是 ReentrantLock（可重入锁，一个线程获得了锁之后仍然可以反复的加锁，不会出现自己阻塞自己的情况）。
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();
}
}
Java 14 的时候，已经改成 synchronized 块了。
public boolean add(E e) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
int len = es.length;
es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
es[len] = e;
setArray(es);
return true;
}
}
其中的 lock 是一个 Object 对象（注释上说和 ReentrantLock 有一点关系）。
/**
* The lock protecting all mutators. (We have a mild preference
* for builtin monitors over ReentrantLock when either will do.)
*/
final transient Object lock = new Object();
使用 ReentrantLock 性能更好，还是 synchronized 块性能更好，同学们可以试验一下。不过，从另外一些细节上看，Java 14 的写法比 Java 8 更简洁一些，其中就少了一个 newElements 变量的创建。
再来看 set() 方法：
public E set(int index, E element) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
E oldValue = elementAt(es, index);
if (oldValue != element) {
es = es.clone();
es[index] = element;
}
// Ensure volatile write semantics even when oldvalue == element
setArray(es);
return oldValue;
}
}
同样使用了 synchronized 块，并且调用了封装好的 clone() 方法进行了复制。
然后来看 remove() 方法：
public E remove(int index) {
synchronized (lock) {
Object[] es = getArray();
int len = es.length;
E oldValue = elementAt(es, index);
int numMoved = len - index - 1;
Object[] newElements;
if (numMoved == 0)
newElements = Arrays.copyOf(es, len - 1);
else {
newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(es, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(es, index + 1, newElements, index,
numMoved);
}
setArray(newElements);
return oldValue;
}
}
synchronized 块是必须的，数组复制（System.arraycopy()）也是必须的。
和 Vector 不同的是，CopyOnWriteArrayList 的 get()、size() 方法不再加锁。
public int size() {
return getArray().length;
}
public E get(int index) {
return elementAt(getArray(), index);
}
简单总结一下就是：第一，CopyOnWriteArrayList 在修改时，复制出一个新数组，修改的操作在新数组中完成，最后将新数组赋值给原有的数组引用。第二，CopyOnWriteArrayList 的写加锁，读不加锁。
CopyOnWriteArrayList 有很多优势，但数组复制是沉重的，如果写的操作比较多，而读的操作比较少，内存就会被占用得比较多；另外，CopyOnWriteArrayList 无法保证数据是实时同步的，因为读写操作是分离的，写的操作都建立在复制的新数组上，而读的是原有的数组。
05、最后
如果九年前，我就看到了这样一篇文章，一定就不会被老马刁难呢，保不准还能再拖延半个小时，让他多问二十个问题。但我想同学们一定是比我幸运的，至少现在看到了，不晚，对不对？
公众号：沉默王二（ID：cmower）
CSDN：沉默王二
这是一个有颜值却靠才华吃饭的程序员，你知道，他的文章风趣幽默，读起来就好像花钱一样爽快。
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