Java 中的 Copy-On-Write 容器

发布： 2017-03-15 分类：开发技能阅读：评论：

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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。

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;
}

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。

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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<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
    private volatile Map<K, V> internalMap;

    public CopyOnWriteMap() {
        internalMap = new HashMap<K, V>();
    }

    public V put(K key, V value) {

        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            V val = newMap.put(key, value);
            internalMap = newMap;
            return val;
        }
    }

    public V get(Object key) {
        return internalMap.get(key);
    }

    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(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：

package com.ifeve.book;

import java.util.Map;

import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;

/**
 * 黑名单服务
 *
 * @author fangtengfei
 *
 */
public class BlackListServiceImpl {

    private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
            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<String,Boolean> ids) {
        blackListMap.putAll(ids);
    }

}

代码很简单，但是使用 CopyOnWriteMap 需要注意两件事情：

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。
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。

关于 C++ 的 STL 中，曾经也有过 Copy-On-Write 的玩法，参见陈皓的《C++ STL String 类中的 Copy-On-Write》，后来，因为有很多线程安全上的事，就被去掉了。

转载自并发编程网 – ifeve.com 本文链接地址: 聊聊并发 - Java 中的 Copy-On-Write 容器