掌握Java并發編程的實用技巧：CopyOnWriteArrayList詳細教程

作者：迷路的架構師 2023-04-06 15:26:35

CopyOnWriteArrayList是Java并發包（java.util.concurrent）中的一個線程安全的ArrayList實現。它采用“寫時復制”（Copy-On-Write，簡稱COW）策略來實現對列表的高性能讀取和寫操作。CopyOnWriteArrayList適用于讀操作遠多于寫操作的場景，能有效減少鎖的競爭，提高并發性能。

一、CopyOnWriteArrayList簡介

1.1 什么是CopyOnWriteArrayList

1.2 為什么需要CopyOnWriteArrayList

在多線程環境下，對ArrayList進行并發讀寫操作可能會引發線程安全問題。雖然可以使用Vector或者
Collections.synchronizedList()實現線程安全的列表，但這些方法使用了全局鎖，導致并發性能降低。為了解決這個問題，CopyOnWriteArrayList使用了COW策略，在每次修改操作時，都會復制一個新的副本，從而避免了并發讀寫時的鎖競爭，提高了并發讀取性能。

1.3 CopyOnWriteArrayList與ArrayList、Vector的區別

CopyOnWriteArrayList與ArrayList、Vector有以下主要區別：

線程安全性：CopyOnWriteArrayList是線程安全的，而ArrayList不是；Vector也是線程安全的，但它使用全局鎖，導致性能較差。
讀寫性能：CopyOnWriteArrayList具有較高的并發讀性能，但寫操作性能較差，因為每次寫操作都需要復制一個新的副本。ArrayList具有較高的讀寫性能，但在多線程環境下可能出現線程安全問題。Vector的讀寫性能較差，因為它使用全局鎖。
內存占用：CopyOnWriteArrayList在寫操作時需要復制一個新的副本，因此可能導致較高的內存占用。ArrayList和Vector的內存占用相對較低。
實時性：CopyOnWriteArrayList的迭代器只能獲取到寫操作前的數據副本，因此在迭代過程中無法獲取實時數據。ArrayList和Vector的迭代器可以獲取實時數據，但在多線程環境下可能會導致線程安全問題。

二、CopyOnWriteArrayList的核心方法

CopyOnWriteArrayList提供了一系列線程安全的列表操作方法。以下是其中的一些核心方法：

2.1 add(E e)

此方法用于將指定的元素添加到列表的末尾。在執行此操作時，會先復制一個新的副本，然后將元素添加到新副本中，最后將新副本賦值給原列表。這樣可以確保讀操作始終在不變的數據副本上進行，提高并發讀性能。

2.2 remove(Object o)

此方法用于從列表中移除指定元素的第一個匹配項。與add()方法類似，它也會先復制一個新的副本，然后從新副本中移除元素，并將新副本賦值給原列表。

2.3 set(int index, E element)

此方法用于替換列表中指定位置的元素。在執行此操作時，同樣會先復制一個新的副本，然后將新元素設置到新副本的指定位置，并將新副本賦值給原列表。

2.4 get(int index)

此方法用于獲取列表中指定位置的元素。由于CopyOnWriteArrayList使用寫時復制策略，讀操作可以直接訪問原列表，而無需擔心線程安全問題。這使得get()方法具有較高的并發性能。

2.5 iterator()

此方法用于返回一個迭代器，用于遍歷列表中的元素。需要注意的是，CopyOnWriteArrayList的迭代器是只讀的，并且返回的迭代器只能訪問到寫操作前的數據副本。這意味著在迭代過程中，無法獲取實時數據以及對列表進行修改操作。

三、CopyOnWriteArrayList的使用場景

CopyOnWriteArrayList適用于一些特定的場景，主要體現在以?下幾個方面：

3.1 高并發讀場景

由于CopyOnWriteArrayList采用寫時復制策略，讀操作可以直接訪問原列表，而無需加鎖。這使得CopyOnWriteArrayList在高并發讀場景下具有較高的性能。當讀操作遠多于寫操作時，CopyOnWriteArrayList是一個很好的選擇。

3.2 低頻修改、高頻查詢場景

CopyOnWriteArrayList在每次寫操作時都會復制一個新的副本，因此寫操作的性能較差。但是，如果對列表的修改操作較少，而查詢操作頻繁，CopyOnWriteArrayList仍然可以提供良好的性能。在這種場景下，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList來實現線程安全的列表操作。

3.3 實時性要求不高的場景

CopyOnWriteArrayList的迭代器只能訪問到寫操作前的數據副本，因此在迭代過程中無法獲取實時數據。如果應用場景對實時性要求不高，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList。

四、CopyOnWriteArrayList的實戰應用

在實際開發過程中，CopyOnWriteArrayList可以用于解決一些特定的問題。以下是一些實戰應用示例：

4.1 實現線程安全的觀察者模式

觀察者模式是一種常見的設計模式，用于實現對象之間的解耦。在觀察者模式中，通常需要維護一個觀察者列表。當主題發生變化時，需要通知所有的觀察者。在多線程環境下，使用CopyOnWriteArrayList來存儲觀察者列表可以有效地避免線程安全問題，同時提高并發性能。

public class Subject {
    private final List<Observer> observers = new CopyOnWriteArrayList<>();

    public void addObserver(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }

    public void removeObserver(Observer observer) {
        observers.remove(observer);
    }

    public void notifyObservers(String message) {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update(message);
        }
    }
}

4.2 緩存系統中的高性能讀取

在某些緩存系統中，讀取操作的頻率可能遠遠高于寫入操作。在這種場景下，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList來存儲緩存的數據。通過這種方式，可以實現在保證線程安全的同時，提高并發讀取性能。

4.3 在線用戶列表的實時維護

在某些應用中，需要實時維護在線用戶列表。由于在線用戶列表的修改操作相對較少，可以考慮使用CopyOnWriteArrayList來存儲在線用戶。這樣，在線用戶列表的查詢操作可以實現較高的并發性能，而修改操作仍然保持線程安全。

五、CopyOnWriteArrayList的局限性及替代方案

盡管CopyOnWriteArrayList在某些場景下具有優勢，但它仍然存在一些局限性。以下是一些主要的局限性及相應的替代方案：

5.1 寫操作性能較低

由于CopyOnWriteArrayList在每次寫操作時都會創建一個新的數據副本，因此寫操作的性能較低。當寫操作頻繁時，CopyOnWriteArrayList的性能可能不盡如人意。

替代方案：可以考慮使用Collections.synchronizedList()來包裝一個普通的ArrayList。這樣，寫操作會在原列表上進行，并通過加鎖來保證線程安全。但需要注意，這種方法的并發讀性能可能不如CopyOnWriteArrayList。

5.2 內存占用較高

由于CopyOnWriteArrayList在執行寫操作時需要復制整個數據副本，因此它可能占用較多的內存。在內存資源有限的場景下，CopyOnWriteArrayList可能不是一個理想的選擇。

替代方案：可以使用ConcurrentLinkedQueue或ConcurrentSkipListSet等具有較低內存占用的線程安全集合，但這些集合在功能和性能上可能有所差異。

5.3 迭代器實時性差

CopyOnWriteArrayList的迭代器只能訪問到寫操作前的數據副本，因此在迭代過程中無法獲取實時數據。這可能導致在某些場景下數據不一致的問題。

替代方案：可以使用ConcurrentHashMap的keySet或者ConcurrentSkipListSet等具有實時迭代器的線程安全集合。這些集合的迭代器可以在一定程度上提供實時數據。

六、CopyOnWriteArrayList在實際項目中的最佳實踐

在實際項目中，為了充分發揮CopyOnWriteArrayList的優勢并避免其局限性，可以遵循以下幾個最佳實踐：

6.1 適用場景選擇

在選擇CopyOnWriteArrayList時，首先要確保當前場景適用。如果讀操作遠多于寫操作，且對實時性要求不高，那么CopyOnWriteArrayList可以發揮出較高的并發性能。

6.2 合理控制寫操作

由于CopyOnWriteArrayList在寫操作時會復制整個列表，因此在項目中應盡量減少寫操作的頻率。可以通過批量處理、延遲更新等策略來降低寫操作的頻率。

6.3 避免大量數據的拷貝

在CopyOnWriteArrayList中，數據量較大時，寫操作可能導致較大的性能開銷。可以考慮將大量數據拆分成多個較小的CopyOnWriteArrayList，以降低每次寫操作的復制開銷。

6.4 使用其他線程安全集合作為替代方案

在某些場景下，CopyOnWriteArrayList可能不是最佳選擇。例如，當寫操作較頻繁、內存資源有限或需要實時迭代器時，可以考慮使用其他線程安全集合，如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue或ConcurrentSkipListSet等。

6.5 關注性能監控和調優

在使用CopyOnWriteArrayList時，應關注其性能表現，通過性能監控工具了解其在實際場景中的表現。根據性能數據進行調優，例如調整數據結構、優化寫操作策略等，以確保CopyOnWriteArrayList在項目中發揮出最佳性能。

責任編輯：華軒來源：今日頭條

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