[ Java 文章收集 ] 聊聊並發 - Java 中的 Copy-On-Write 容器

Source From Here 
Preface 
Copy-On-Write 簡稱 COW，是一種用於程序設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始大家都在共享同一個內容，當某個人想要修改這個內容的時候，才會真正把內容 Copy 出去形成一個新的內容然後再改，這是一種延時懶惰策略。從 JDK1.5 開始 Java 並發包裡提供了兩個使用 CopyOnWrite 機制實現的並發容器,它們是 CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite 容器非常有用，可以在非常多的並發場景中使用到。 

什麼是 CopyOnWrite 容器 
CopyOnWrite 容器即寫時復制的容器。通俗的理解是當我們往一個容器添加元素的時候，不直接往當前容器添加，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，然後新的容器裡添加元素，添加完元素之後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite 容器進行並發的讀，而不需要加鎖，因為當前容器不會添加任何元素。所以 CopyOnWrite 容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。 

CopyOnWriteArrayList 的實現原理 
在使用 CopyOnWriteArrayList 之前，我們先閱讀其源碼了解下它是如何實現的。以下代碼是向 ArrayList 裡添加元素，可以發現在添加的時候是需要加鎖的，否則多線程寫的時候會Copy出N個副本出來。 

view plaincopy to clipboardprint?

1. public boolean add(T e) {  
2.     final ReentrantLock lock = this.lock;  
3.     lock.lock();  
4.     try {  
5.         Object[] elements = getArray();  
6.         int len = elements.length;  
7.         // 复制出新数组  
8.         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);  
9.         // 把新元素添加到新数组里  
10.         newElements[len] = e;  
11.         // 把原数组引用指向新数组  
12.         setArray(newElements);  
13.         return true;  
14.   
15.     } finally {  
16.         lock.unlock();  
17.     }  
18. }  
19.   
20. final void setArray(Object[] a) {  
21.     array = a;  
22. }  

讀的時候不需要加鎖，如果讀的時候有多個線程正在向 ArrayList 添加數據，讀還是會讀到舊的數據，因為寫的時候不會鎖住舊的 ArrayList: 

view plaincopy to clipboardprint?

1. public E get(int index) {  
2.     return get(getArray(), index);  
3. }  

JDK中並沒有提供 CopyOnWriteMap，我們可以參考 CopyOnWriteArrayList 來實現一個，基本代碼如下： 

view plaincopy to clipboardprint?

1. import java.util.Collection;  
2. import java.util.Map;  
3. import java.util.Set;  
4.   
5. public class CopyOnWriteMap implements Map, Cloneable {  
6.     private volatile Map internalMap;  
7.   
8.     public CopyOnWriteMap() {  
9.         internalMap = new HashMap();  
10.     }  
11.   
12.     public V put(K key, V value) {  
13.   
14.         synchronized (this) {  
15.             Map newMap = new HashMap(internalMap);  
16.             V val = newMap.put(key, value);  
17.             internalMap = newMap;  
18.             return val;  
19.         }  
20.     }  
21.   
22.     public V get(Object key) {  
23.         return internalMap.get(key);  
24.     }  
25.   
26.     public void putAll(Mapextends K, ? extends V> newData) {  
27.         synchronized (this) {  
28.             Map newMap = new HashMap(internalMap);  
29.             newMap.putAll(newData);  
30.             internalMap = newMap;  
31.         }  
32.     }  
33. }  

實現很簡單，只要了解了 CopyOnWrite 機制，我們可以實現各種 CopyOnWrite 容器，並且在不同的應用場景中使用。 

CopyOnWrite 的應用場景 
CopyOnWrite 並發容器用於讀多寫少的並發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜索網站，用戶在這個網站的搜索框中，輸入關鍵字搜索內容，但是某些關鍵字不允許被搜索。這些不能被搜索的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當用戶搜索時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中，如果在，則提示不能搜索。實現代碼如下： 

view plaincopy to clipboardprint?

1. package com.ifeve.book;  
2.   
3. import java.util.Map;  
4.   
5. import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;  
6.   
7. /** 
8. * 黑名单服务 
9. * 
10. * @author fangtengfei 
11. * 
12. */  
13. public class BlackListServiceImpl {  
14.   
15.     private static CopyOnWriteMap blackListMap = new CopyOnWriteMap(  
16.             1000);  
17.   
18.     public static boolean isBlackList(String id) {  
19.         return blackListMap.get(id) == null ? false : true;  
20.     }  
21.   
22.     public static void addBlackList(String id) {  
23.         blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);  
24.     }  
25.   
26.     /** 
27.      * 批量添加黑名单 
28.      * 
29.      * @param ids 
30.      */  
31.     public static void addBlackList(Map ids) {  
32.         blackListMap.putAll(ids);  
33.     }  
34.   
35. }  

代碼很簡單，但是使用 CopyOnWriteMap 需要注意兩件事情： 

1. 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化 CopyOnWriteMap 的大小，避免寫時 CopyOnWriteMap 擴容的開銷。
2. 使用批量添加。因為每次添加，容器每次都會進行複制，所以減少添加次數，可以減少容器的複制次數。如使用上面代碼裡的 addBlackList 方法。

CopyOnWrite 的缺點 
CopyOnWrite 容器有很多優點，但是同時也存在兩個問題，即內存佔用問題和數據一致性問題。所以在開發的時候需要注意一下。 

內存佔用問題 
因為 CopyOnWrite 的寫時復制機制，所以在進行寫操作的時候，內存裡會同時駐紮兩個對象的內存，舊的對象和新寫入的對象（注意:在復制的時候只是複制容器裡的引用，只是在寫的時候會創建新對象添加到新容器裡，而舊容器的對像還在使用，所以有兩份對象內存）。如果這些對象佔用的內存比較大，比如說200M左右，那麼再寫入100M數據進去，內存就會佔用300M，那麼這個時候很有可能造成頻繁的 Yong GC 和 Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由於每晚使用 CopyOnWrite 機制更新大對象，造成了每晚 15 秒的 Full GC，應用響應時間也隨之變長。 

針對內存佔用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大對象的內存消耗，比如，如果元素全是 10 進制的數字，可以考慮把它壓縮成 36 進製或 64 進制。或者不使用 CopyOnWrite 容器，而使用其他的並發容器，如 ConcurrentHashMap。 

數據一致性問題 
CopyOnWrite 容器只能保證數據的最終一致性，不能保證數據的實時一致性。所以如果你希望寫入的的數據，馬上能讀到，請不要使用 CopyOnWrite 容器。