阿里Java面試官：CopyOnWriteArrayList底層是怎么保證線程安全的？

作者：一燈架構 2023-11-06 17:39:35

CopyOnWriteArrayList是一種線程安全的ArrayList，底層是基于數組實現，不過該數組使用了volatile關鍵字修飾。實現線程安全的原理是，“人如其名”，就是 Copy On Write（寫時復制），意思就是在對其進行修改操作的時候，復制一個新的ArrayList，在新的ArrayList上進行修改操作，從而不影響舊的ArrayList的讀操作。

歡迎學習解讀Java源碼專欄，在這個系列中，我將手把手帶著大家剖析Java核心組件的源碼，內容包含集合、線程、線程池、并發、隊列等，深入了解其背后的設計思想和實現細節，輕松應對工作面試。

引言

上篇文章提到ArrayList不是線程安全的，而CopyOnWriteArrayList是線程安全的。此刻我就會產生幾個問題：

CopyOnWriteArrayList初始容量是多少？
CopyOnWriteArrayList是怎么進行擴容的？
CopyOnWriteArrayList是怎么保證線程安全的？

帶著這幾個問題，一起分析一下CopyOnWriteArrayList的源碼。

簡介

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

    // 加鎖，用來保證線程安全
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    // 存儲元素的數組，使用了volatile修飾
    private transient volatile Object[] array;

    // 數組的get/set方法
    final Object[] getArray() {
        return array;
    }
    final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }

}

CopyOnWriteArrayList的內部結構非常簡單，使用ReentrantLock加鎖，用來保證線程安全。使用數組存儲元素，數組使用volatile修飾，用來保證內存可見性。當其他線程重新對數組對象進行賦值的時候，當前線程可以及時感知到。

初始化

當我們調用CopyOnWriteArrayList的構造方法的時候，底層邏輯是怎么實現的？

List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList初始化的時候，不支持指定數組長度，接著往下看，就能明白CopyOnWriteArrayList為什么不支持指定數組長度。

public CopyOnWriteArrayList() {
    setArray(new Object[0]);
}

初始化過程非常簡單，就是創建了一個長度為0的數組。

添加元素

再看一下往CopyOnWriteArrayList添加元素時，調用的 add() 方法源碼實現：

// 添加元素
public boolean add(E e) {
    // 加鎖，保證線程安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();

    try {
        // 獲取原數組
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 創建一個新數組，長度原數組長度+1，并把原數組元素拷貝到新數組里面
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 直接賦值給新數組末尾位置
        newElements[len] = e;
        // 替換原數組
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

添加元素的流程：

先使用ReentrantLock加鎖，保證線程安全。
再創建一個新數組，長度是原數組長度+1，并把原數組元素拷貝到新數組里面。
然后在新數組末尾位置賦值
使用新數組替換掉原數組
最后釋放鎖

add() 方法添加元素的時候，并沒有在原數組上進行賦值，而是創建一個新數組，在新數組上賦值后，再用新數組替換原數組。這是為了利用volatile關鍵字的特性，如果直接在原數組上進行修改，其他線程是感知不到的。只有重新對原數組對象進行賦值，其他線程才能感知到。還有一個需要注意的點是，每次添加元素的時候都會創建一個新數組，并涉及數組拷貝，相當于每次都進行擴容操作。當數組較大，性能消耗較為明顯。所以CopyOnWriteArrayList適用于讀多寫少的場景，如果存在較多的寫操作場景，性能也是一個需要考慮的因素。

刪除元素

再看一下刪除元素的方法 remove() 的源碼：

// 按照下標刪除元素
public E remove(int index) {
    // 加鎖，保證線程安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();

    try {
        // 獲取原數組
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        // 計算需要移動的元素個數
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0) {
            // 0表示刪除的是數組末尾的元素
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        } else {
            // 創建一個新數組，長度是原數組長度-1
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            // 把原數組下標前后兩段的元素都拷貝到新數組里面
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                numMoved);
            // 替換原數組
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

刪除元素的流程：

先使用ReentrantLock加鎖，保證線程安全。
再創建一個新數組，長度是原數組長度-1，并把原數組中剩余元素（不包含需要刪除的元素）拷貝到新數組里面。
使用新數組替換掉原數組
最后釋放鎖

可以看到，刪除元素的流程與添加元素的流程類似，都是需要創建一個新數組，再把舊數組元素拷貝到新數組，最后替換舊數組。區別就是新數組的長度不一樣，刪除元素流程中的新數組長度是舊數組長度-1，添加元素流程中的新數組長度是舊數組長度+1。根據對象刪除元素的方法源碼與之類似，也是轉換成下標刪除，讀者可自行查看。

批量刪除

再看一下批量刪除元素方法 removeAll() 的源碼：

// 批量刪除元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
    // 參數判空
    if (c == null) {
        throw new NullPointerException();
    }
    // 加鎖，保證線程安全
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();

    try {
        // 獲取原數組
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (len != 0) {
            // 創建一個新數組，長度暫時使用原數組的長度，因為不知道要刪除多少個元素。
            Object[] temp = new Object[len];
            // newlen表示新數組中元素個數
            int newlen = 0;
            // 遍歷原數組，把需要保留的元素放到新數組中
            for (int i = 0; i < len; ++i) {
                Object element = elements[i];
                if (!c.contains(element)) {
                    temp[newlen++] = element;
                }
            }
            // 如果新數組沒有滿，就釋放空白位置，并覆蓋原數組
            if (newlen != len) {
                setArray(Arrays.copyOf(temp, newlen));
                return true;
            }
        }
        return false;
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

批量刪除元素的流程，與上面類似：

先使用ReentrantLock加鎖，保證線程安全。
再創建一個新數組，長度暫時使用原數組的長度，因為不知道要刪除多少個元素。
然后遍歷原數組，把需要保留的元素放到新數組中。
釋放掉新數組中空白位置，再使用新數組替換掉原數組。
最后釋放鎖

如果遇到需要一次刪除多個元素的場景，盡量使用 removeAll() 方法，因為 removeAll() 方法只涉及一次數組拷貝，性能比單個刪除元素更好。

并發修改問題

當遍歷CopyOnWriteArrayList的過程中，同時增刪CopyOnWriteArrayList中的元素，會發生什么情況？測試一下：

import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(2);
        list.add(3);
        // 遍歷ArrayList
        for (Integer key : list) {
            // 判斷如果元素等于2，則刪除
            if (key.equals(2)) {
                list.remove(key);
            }
        }
        System.out.println(list);
    }

}

輸出結果：

[1, 3]

不但沒有拋出異常，還把CopyOnWriteArrayList中重復的元素也都刪除了。原因是CopyOnWriteArrayList重新實現迭代器，拷貝了一份原數組的快照，在快照數組上進行遍歷。這樣做的優點是其他線程對數組的并發修改，不影響對快照數組的遍歷，但是遍歷過程中無法感知其他線程對數組修改，有得必有失。下面是迭代器的源碼實現：

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    /**
     * 原數組的快照
     */
    private final Object[] snapshot;
    /**
     * 迭代游標
     */
    private int cursor;

    private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
        cursor = initialCursor;
        snapshot = elements;
    }

    public boolean hasNext() {
        return cursor < snapshot.length;
    }

    // 迭代下個元素
    public E next() {
        if (!hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E)snapshot[cursor++];
    }
}

總結

現在可以回答文章開頭提出的問題了吧：

CopyOnWriteArrayList初始容量是多少？

答案：是0

CopyOnWriteArrayList是怎么進行擴容的？

答案：

加鎖
創建一個新數組，長度原數組長度+1，并把原數組元素拷貝到新數組里面。
釋放鎖

CopyOnWriteArrayList是怎么保證線程安全的？

答案：

使用ReentrantLock加鎖，保證操作過程中線程安全。
使用volatile關鍵字修飾數組，保證當前線程對數組對象重新賦值后，其他線程可以及時感知到。

責任編輯：武曉燕來源：一燈架構