Java CopyOnWrite容器

DogJay 2019-01-14 后端技术 456人已围观

Copy-On-Write简称COW,是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是,从一开始大家都在共享同一个内容,当某个人想要修改这个内容的时候,才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改,这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用,可以在非常多的并发场景中使用到。 **什么是CopyOnWrite容器** CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。 **场景一:对于ArrayList,使用直接方式,一边遍历,一边删除,会报错** // 删除/修改元素 for(String item : list){ list.remove(item); } 解决办法一:使用迭代器,一边遍历,一边删除,不会报错。 // 删除/修改元素 Iterator it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ String ele = it.next(); it.remove(); } 解决办法二:使用CopyOnWriteArrayList,直接方式,一边遍历,一会删除,不会报错。 for(String item : list){ list.remove(item); } **【场景二】对于ArrayList,使用迭代器,一边遍历,一边add,会报错。** Iterator it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ String str = it.next(); String tem = str + "..."; list.add(tem); } 解决办法一:改用CopyOnWriteArrayList,直接方式,一边遍历,一边add,不会报错。 for(String item : list){ String tem = item + "..."; list.add(tem); } 解决办法二:改用CopyOnWriteArrayList,一边遍历,一边add,不会报错。 Iterator it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ String str = it.next(); String tem = str + "..."; list.add(tem); } **【场景三】对于CopyOnWriteArrayList,迭代器,不能remove。** Iterator it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ String str = it.next(); String tem = str + "..."; it.remove(); } 解决办法一:使用直接方式,一边遍历,一边add/remove() for(String item : list){ String tem = item + "..."; list.remove(item); list.add(tem); } **CopyOnWriteArrayList的实现原理** 在使用CopyOnWriteArrayList之前,我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向ArrayList里添加元素,可以发现在添加的时候是需要加锁的,否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。 public boolean add(T 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(); } } final void setArray(Object[] a) { array = a; } final Object[] getArray() { return array; } 读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据,读还是会读到旧的数据,因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。 public E get(int index) { return get(getArray(), index); } JDK中并没有提供CopyOnWriteMap,我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个,基本代码如下: import java.util.Collection; import java.util.Map; import java.util.Set; public class CopyOnWriteMap implements Map, Cloneable { private volatile Map internalMap; public CopyOnWriteMap() { internalMap = new HashMap(); } public V put(K key, V value) { synchronized (this) { Map newMap = new HashMap(internalMap); V val = newMap.put(key, value); internalMap = newMap; return val; } } public V get(Object key) { return internalMap.get(key); } public void putAll(Map newData) { synchronized (this) { Map newMap = new HashMap(internalMap); newMap.putAll(newData); internalMap = newMap; } } } 实现很简单,只要了解了CopyOnWrite机制,我们可以实现各种CopyOnWrite容器,并且在不同的应用场景中使用。 **CopyOnWrite的应用场景** CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单,黑名单,商品类目的访问和更新场景,假如我们有一个搜索网站,用户在这个网站的搜索框中,输入关键字搜索内容,但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中,黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时,会检查当前关键字在不在黑名单当中,如果在,则提示不能搜索。实现代码如下: import java.util.Map; import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap; /** * 黑名单服务 */ public class BlackListServiceImpl { private static CopyOnWriteMap blackListMap = new CopyOnWriteMap( 1000); public static boolean isBlackList(String id) { return blackListMap.get(id) == null ? false : true; } public static void addBlackList(String id) { blackListMap.put(id, Boolean.TRUE); } /** * 批量添加黑名单 * * @param ids */ public static void addBlackList(Map ids) { blackListMap.putAll(ids); } } 代码很简单,但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情: 1. 减少扩容开销。根据实际需要,初始化CopyOnWriteMap的大小,避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。 2. 使用批量添加。因为每次添加,容器每次都会进行复制,所以减少添加次数,可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。 **CopyOnWrite的缺点** CopyOnWrite容器有很多优点,但是同时也存在两个问题,即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。 **内存占用问题**。因为CopyOnWrite的写时复制机制,所以在进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,旧的对象和新写入的对象(注意:在复制的时候只是复制容器里的引用,只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里,而旧容器的对象还在使用,所以有两份对象内存)。如果这些对象占用的内存比较大,比如说200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会占用300M,那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象,造成了每晚15秒的Full GC,应用响应时间也随之变长。 **针对内存占用问题**,可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗,比如,如果元素全是10进制的数字,可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器,而使用其他的并发容器,如ConcurrentHashMap。 数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。

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