「源码分析」CopyOnWriteArrayList 中的隐藏知识，你Get了吗？

前言

本觉 CopyOnWriteArrayList 过于简单，寻思看名字就能知道内部的实现逻辑，所以没有写这篇文章的想法，最近又仔细看了下 CopyOnWriteArrayList 的源码实现，大体逻辑没有意外，不过还是发现很多有意思的地方，固留此篇文章分享之。

看完这篇文章你会了解到：

• CopyOnWriteArrayList 的实现原理，扩容机制。
• CopyOnWriteArrayList 的读写分离，弱一致性。
• CopyOnWriteArrayList 的性能如何。
• CopyOnWriteArrayList 修改元素时，为什么相同值也要重新赋值（作者 Doug Lea 这么写都是有道理的）。
• CopyOnWriteArrayList 在高版本 JDK 的实现有什么不同，为什么。

线程安全 List

在 Java 中，线程安全的 List 不止一个，除了今天的主角 CopyOnWriteArrayList 之外，还有 Vector 类和 SynchronizedList 类，它们都是线程安全的 List 集合。在介绍 CopyOnWriteArrayList 之前，先简单介绍下另外两个。

如果你尝试你查看它们的源码，你会发现有点不对头，并发集合不都是在 java.util.concurrent 包中嘛，为什么Vector 类和 SynchronizedList 类 这两个是在 java.util 包里呢？

确实是这样的，这两个线程安全的 List 和线程安全的 HashTable 是一样的，都是比较简单粗暴的实现方式，直接方法上增加 synchronized 关键字实现的，而且不管增删改查，统统加上，即使是 get 方法也不例外，没错，就是这么粗暴。

Vector 类的 get 方法：

// Vector 中的 get 操作添加了 synchronized
public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

    return elementData(index);
}

SynchronizedList 类的 ge t 方法：

public E get(int index) {
    synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}

同学不妨思考一下，其实在 get 方法上添加同步机制也是有原因的，虽然降低了效率，但是可以让写入的数据立即可以被查询到，这也保证了数据的强一致性。另外上面关于 synchronized 简单粗暴的描述也是不够准确的，因为在高版本的 JDK 中，synchronized 已经可以根据运行时情况，自动调整锁的粒度，后面介绍 CopyOnWriteArrayList 时会再次讲到。

CopyOnWriteArrayList

在 JDK 并发包中，目前关于 List 的并发集合，只有 CopyOnWriteArrayList 一个。上面简单介绍了 Vector 和 SynchronizdList 的粗暴实现，既然还有 CopyOnWriteArrayList，那么它一定是和上面两种是有区别的，作为唯一的并发 List，它有什么不同呢？

在探究 CopyOnWriteArrayList 的实现之前，我们不妨先思考一下，如果是你，你会怎么来实现一个线程安全的 List。

1. 并发读写时该怎么保证线程安全呢？
2. 数据要保证强一致性吗？数据读写更新后是否立刻体现？
3. 初始化和扩容时容量给多少呢？
4. 遍历时要不要保证数据的一致性呢？需要引入 Fail-Fast 机制吗？

通过类名我们大致可以猜测到 CopyOnWriteArrayList 类的实现思路：Copy-On-Write, 也就是写时复制策略；末尾的 ArrayList 表示数据存放在一个数组里。在对元素进行增删改时，先把现有的数据数组拷贝一份，然后增删改都在这个拷贝数组上进行，操作完成后再把原有的数据数组替换成新数组。这样就完成了更新操作。

但是这种写入时复制的方式必定会有一个问题，因为每次更新都是用一个新数组替换掉老的数组，如果不巧在更新时有一个线程正在读取数据，那么读取到的就是老数组中的老数据。其实这也是读写分离的思想，放弃数据的强一致性来换取性能的提升。

分析源码 ( JDK8 )

上面已经说了，CopyOnWriteArrayList 的思想是写时复制，读写分离，它的内部维护着一个使用 volatile 修饰的数组，用来存放元素数据。

/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;

CopyOnWriteArrayList 类中方法很多，这里不会一一介绍，下面会分析其中的几个常用的方法，这几个方法理解后基本就可以掌握 CopyOnWriteArrayList 的实现原理。

构造函数

CopyOnWriteArrayList 的构造函数一共有三个，一个是无参构造，直接初始化数组长度为0；另外两个传入一个集合或者数组作为参数，然后会把集合或者数组中的元素直接提取出来赋值给 CopyOnWriteArrayList 内部维护的数组。

// 直接初始化一个长度为 0 的数组
public CopyOnWriteArrayList() {
    setArray(new Object[0]);
}
// 传入一个集合，提取集合中的元素赋值到 CopyOnWriteArrayList 数组
public CopyOnWriteArrayList(Collection c) {
    Object[] es;
    if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
        es = ((CopyOnWriteArrayList)c).getArray();
    else {
        es = c.toArray();
        if (c.getClass() != java.util.ArrayList.class)
            es = Arrays.copyOf(es, es.length, Object[].class);
    }
    setArray(es);
}
// 传入一个数组，数组元素提取后赋值到 CopyOnWriteArrayList 数组
public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
    setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
}

构造函数是实例创建时调用的，没有线程安全问题，所以构造方法都是简单的赋值操作，没有特殊的逻辑处理。

新增元素

元素新增根据入参的不同有好几个，但是原理都是一样的，所以下面只贴出了 add(E e ) 的实现方式，是通过一个 ReentrantLock 锁保证线程安全的。

/**
 * Appends the specified element to the end of this list.
 *
 * @param e element to be appended to this list
 * @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
 */
public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // 加锁
    try {
        Object[] elements = getArray(); // 获取数据数组
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 拷贝一个数据数组，长度+1
        newElements[len] = e; // 加入新元素
        setArray(newElements); // 用新数组替换掉老数组
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

具体步骤：

1. 加锁，获取目前的数据数组开始操作（加锁保证了同一时刻只有一个线程进行增加/删除/修改操作）。
2. 拷贝目前的数据数组，且长度增加一。
3. 新数组中放入新的元素。
4. 用新数组替换掉老的数组。
5. finally 释放锁。

由于每次 add 时容量只增加了1，所以每次增加时都要创建新的数组进行数据复制，操作完成后再替换掉老的数据，这必然会降低数据新增时候的性能。下面通过一个简单的例子测试 CopyOnWriteArrayList 、Vector、ArrayList 的新增和查询性能。

public static void main(String[] args) {
    CopyOnWriteArrayList