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详解 Java 中的 CopyOnWriteArrayList

news 2025/9/7 19:49:54

【1】CopyOnWriteArrayList 简介

【2】核心原理

1.底层数据结构

2.写时复制机制

【3】CopyOnWriteArrayList常用方法及实例

1.添加元素方法 add ()

2.获取元素方法 get ()

3.删除元素方法remove()

【4】优缺点分析

【5】适用场景

【6】总结

【1】CopyOnWriteArrayList 简介

        Copy-On-Write，是一种用于集合的并发访问优化策略。它的基本思想是：当我们往一个集合容器中写入元素时（添加、修改、删除），并不会直接在集合容器中写入，而是先将当前集合容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里写入元素，写入操作完成之后，再将原容器的引用指向新的容器。

        这种策略的优点是：实现对CopyOnWrite集合容器写入操作时的线程安全，但同时并不影响进行并发的读取操作。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想。
        从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发集合容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。

        CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList，内部存储结构采用Object[]数组，线程安全使用ReentrantLock实现，允许多个线程并发读取，但只能有一个线程写入。

【2】核心原理

1.底层数据结构

CopyOnWriteArrayList 的底层数据结构是一个数组，使用volatile关键字修饰以保证可见性：

2.写时复制机制

CopyOnWriteArrayList 的核心思想是写时复制（Copy-On-Write）：

当进行写操作（添加、修改、删除）时，首先复制一份当前的底层数组
在复制的新数组上执行写操作
操作完成后，将底层数组的引用指向新数组

这种机制保证了读操作永远访问的是一个稳定的数组，不需要加锁。

【3】CopyOnWriteArrayList常用方法及实例

1.添加元素方法 add ()

添加新元素至集合时，会将当前数组Copy复制新数组，并将新元素添加至新数组，最后替换原数组。执行过程中，使用ReentrantLock加锁，保证线程安全，避免多个线程复制数组。
public boolean add(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;// 复制出新数组Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);// 把新元素添加到新数组里newElements[len] = e;// 把原数组引用指向新数组setArray(newElements);return true;} finally {lock.unlock();}
}

2.获取元素方法 get ()

根据指定下标，到原数组中读取元素。读取过程中不加锁，允许多个线程并发读取。但是如果读取的时候，有其它线程同时向集合中添加新元素并未结束，get()方法仍然读取到的是旧数据。
public E get(int index) {// 根据指定下标，从原数组中读取元素return get(getArray(), index);
}private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];
}

3.删除元素方法remove()

删除指定下标元素。根据指定下标，从原数组中，Copy复制其它元素至新数组，最后替换原数组。

public E remove(int index) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {Object[] elements = getArray();int len = elements.length;E oldValue = get(elements, index);int numMoved = len - index - 1;if (numMoved == 0)// 复制原数组中，除最后一个元素以外的所有元素，至新数组setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));else {// 复制原数组中，除删除元素以外的所有元素，至新数组Object[] newElements = new Object[len - 1];System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,numMoved);setArray(newElements);}return oldValue;} finally {lock.unlock();}
}

【4】优缺点分析

优点

读操作性能优异：读操作无需加锁，适合读多写少的场景

迭代安全：迭代过程中不会抛出ConcurrentModificationException

线程安全：通过写时复制和锁机制保证线程安全

缺点

内存占用：写操作时需要复制整个数组，可能导致内存占用翻倍

数据一致性：只能保证最终一致性，不能保证实时一致性

写操作性能差：每次写操作都需要复制数组，开销较大

【5】适用场景

CopyOnWriteArrayList 适用于以下场景：

读多写少的并发场景，如缓存、配置信息管理

需要避免迭代过程中ConcurrentModificationException的场景

数据量不大的场景（避免复制大数组带来的性能开销）

不适合的场景：

写操作频繁的场景

对数据实时一致性要求高的场景

存储大量数据的场景