Java多线程 -- JUC包源码分析2 -- Copy On Write/CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet

2023年11月4日 310次阅读来源: JUC

上1篇讲述了Java并发编程的第1个基本思想–CAS/乐观锁，这1篇接着讲述并发编程的第2个基本思想：CopyOnWrite
– CopyOnWrite基本思想
– CopyOnWriteArrayList
– CopyOnWriteArraySet
– AtomicReference的一个应用
– 总结

CopyOnWrite基本思想

CopyOnWrite,
顾名思义：就是在Write的时候，不直接Write源数据，而是把数据Copy一份出来改，改完之后，再通过悲观锁或者乐观锁的方式写回去。

那为什么不直接改，而是要拷贝一份改呢？其实为了”读“的时候，不加锁！
下面就通过几个案例来展现CopyOnWrite的应用。

CopyOnArrayList

和ArrayList一样，CopyOnArrayList的核心数据结构，也是一个数组，如下：

 private volatile transient Object[] array;

下面是CopyOnArrayList的几个”读“函数:

    final Object[] getArray() {
        return array;
    }
    public E get(int index) {                    //没加锁
        return (E)(getArray()[index]);
    }
    public boolean isEmpty() {                   //没加锁
        return size() == 0; 
    }
    public boolean contains(Object o) {          //没加锁
        Object[] elements = getArray();
        return indexOf(o, elements, 0, elements.length) >= 0;
    }
    public int indexOf(Object o) {               //没加锁
        Object[] elements = getArray();
        return indexOf(o, elements, 0, elements.length);
    }
        private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
                               int index, int fence) {
        if (o == null) {
            for (int i = index; i < fence; i++)
                if (elements[i] == null)
                    return i;
        } else {
            for (int i = index; i < fence; i++)
                if (o.equals(elements[i]))
                    return i;
        }
        return -1;
    }

这些”读“函数，都没有加锁，那如何保证”线程安全“的呢？
答案就在”写“函数里面：

    public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();     //加悲观锁
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //CopyOnWrite, 写的时候，先把之前的数组拷贝一份出来
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);  //把新数组，赋值给老数组
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }

    }
        final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }

其他“写”函数，比如remove, 和add类似，在此不在详述。

CopyOnArraySet

就是用Array实现的一个Set，保证所有元素都不重复。其内部就是封装的一个CopyOnArrayList

public class CopyOnWriteArraySet<E> extends AbstractSet<E> implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 5457747651344034263L;

    private final CopyOnWriteArrayList<E> al;   //封装的CopyOnWriteArrayList

    /** * Creates an empty set. */
    public CopyOnWriteArraySet() {
        al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
    }

    public boolean add(E e) {
       return al.addIfAbsent(e);   //不重复的，加进去
    }
    ...
}

AtomicReference的一个应用

问题的提出：

一个NumberRange的对象，如下所示：
public class NumberRange
{
private int lower;
private int upper;
public int getRange()
{
return upper – lower;
}
在多线程情况下，如何不加锁，实现该对象的线程安全？

错误的方法1：使用AtomicInteger

public class NumberRange {
    // INVARIANT: lower <= upper
    private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);
    private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);

    public void setLower(int i) {
        // Warning -- unsafe check-then-act
        if (i > upper.get())  
            throw new IllegalArgumentException(
                    "can't set lower to " + i + " > upper");
        lower.set(i);        //原子操作
    }

    public void setUpper(int i) {
        // Warning -- unsafe check-then-act
        if (i < lower.get())
            throw new IllegalArgumentException(
                    "can't set upper to " + i + " < lower");
        upper.set(i);       //原子操作
    }

    public boolean isInRange(int i) {
        return (i >= lower.get() && i <= upper.get());
    }
    }

上述的setLower(),  setUpper()各自都是原子的，但是2者合在一起，并不是原子的。
也就是说，多个线程分别调用这2个函数的时候，并不能实现互斥访问。这将导致lower的值，可能大于upper的值。

正确的方法：final + CopyOnWrite + 乐观锁

public class CasNumberRange {
    //Immutable
    private static class IntPair {
        final int lower;  //1. final类型，只能copy on write，不能直接更改
        final int upper;
        ...
    }
    private final AtomicReference<IntPair> values =               
        new AtomicReference<IntPair>(new IntPair(0, 0));

    public int getLower() { return values.get().lower; }
    public int getUpper() { return values.get().upper; }

    public void setLower(int i) {
        while (true) {
            IntPair oldv = values.get();
            if (i > oldv.upper)
                throw new IllegalArgumentException(
                   "Can't set lower to " + i + " > upper");
            IntPair newv = new IntPair(i, oldv.upper);   //2. CopyOnWrite
            if (values.compareAndSet(oldv, newv))   //3. CAS乐观锁
                return;
        }
    }
    // similarly for setUpper
}

备注：把此问题推而广之，当我们想实现”不加锁，对一个大的对象实现线程安全访问时“，就可利用CopyOnWrite + CAS乐观锁来达到同样的效果。

总结

CopyOnWrite的主要目的是实现“写”加锁，“读”不加锁，从而提高并发度。在上面例子中，CopyOnWriteArrayList使用了CopyOnWrite + 悲观锁； NumberRange使用了CopyOnWrite + 乐观锁。

    原文作者：JUC
    原文地址: https://blog.csdn.net/YChenFeng/article/details/75004966
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