并发List源码剖析

并发包中的并发List只有CopyOnWriteArrayList。

CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的ArrayList,对其进行的修改操作都是在底层的一个复制的数组(快照)上进行的，也就是使用了写时复制策略。

在CopyOnWriteArrayList的类图中，每个CopyOnWriteArrayList对象里面有一个array数组对象用来存放具体元素，ReentrantLock独占锁对象用来保证同时只有一个线程对array进行修改。

这里只要记得ReentrantLock是独占锁，同时只有一个线程可以获取就可以了，后面会专门对JUC中的锁进行介绍。

如果让我们自己做一个写时复制的线程安全的list我们会怎么做，有哪些点需要考虑?

• 何时初始化list,初始化的list元素个数为多少，list是有限大小吗?
• 如何保证线程安全，比如多个线程进行读写时如何保证是线程安全的?
• 如何保证使用迭代器遍历list时的数据一致性?

主要方法源码解析

初始化

首先看下无参构造函数，如下代码在内部创建了一个大小为0的Object数组作为array的初始值。

然后看下有参构造函数。

添加元素

CopyOnWriteArrayList中用来添加元素的函数有add(E e)、add(int index,E element)、addIfAbsent(E e)和addAllAbsent(Collection<?extends E> c)等，它们的原理类似，所以以add(E e)为例来讲解。

在如上代码中，调用add方法的线程会首先执行代码(1)去获取独占锁，如果多个线程都调用add方法则只有一个线程会获取到该锁，其他线程会被阻塞挂起直到锁被释放。

所以一个线程获取到锁后，就保证了在该线程添加元素的过程中其他线程不会对array进行修改。

线程获取锁后执行代码(2)获取array,然后执行代码(3)复制array到一个新数组(从这里可以知道新数组的大小是原来数组大小增加1,所以CopyOnWriteArrayList是无界list),并把新增的元素添加到新数组。

然后执行代码(4)使用新数组替换原数组，并在返回前释放锁。

由于加了锁，所以整个add过程是个原子性操作。

需要注意的是，在添加元素时，首先复制了一个快照，然后在快照上进行添加，而不是直接在原来数组上进行。

获取指定位置元素

使用E get(int index)获取下标为index的元素，如果元素不存在则抛出IndexOutOfBoundsException异常。

在如上代码中，当线程x调用get方法获取指定位置的元素时，分两步走，首先获取array数组(这里命名为步骤A),然后通过下标访问指定位置的元素(这里命名为步骤B),这是两步操作，但是在整个过程中并没有进行加锁同步。

假设这时候List内容如图所示，里面有1、2、3三个元素。

由于执行步骤A和步骤B没有加锁，这就可能导致在线程x执行完步骤A后执行步骤B前，另外一个线程y进行了remove操作，假设要删除元素1。

remove操作首先会获取独占锁，然后进行写时复制操作，也就是复制一份当前array数组，然后在复制的数组里面删除线程x通过get方法要访问的元素1,之后让array指向复制的数组。

而这时候array之前指向的数组的引用计数为1而不是0,因为线程x还在使用它，这时线程x开始执行步骤B,步骤B操作的数组是线程y删除元素之前的数组。

所以，虽然线程y已经删除了index处的元素，但是线程x的步骤B还是会返回index处的元素，这其实就是写时复制策略产生的弱一致性问题。

修改指定元素

使用E set(int index,E element)修改list中指定元素的值，如果指定位置的元素不存在则抛出IndexOutOfBoundsException异常。

如上代码首先获取了独占锁，从而阻止其他线程对array数组进行修改，然后获取当前数组，并调用get方法获取指定位置的元素，如果指定位置的元素值与新值不一致则创建新数组并复制元素，然后在新数组上修改指定位置的元素值并设置新数组到array。

如果指定位置的元素值与新值一样，则为了保证volatile语义，还是需要重新设置array,虽然array的内容并没有改变。

删除元素

删除list里面指定的元素，可以使用E remove(int index)、boolean remove(Object o)和boolean remove(Object o,Object[] snapshot,int index)等方法，它们的原理一样。下面讲解下remove(int index)方法。

如上代码其实和新增元素的代码类似，首先获取独占锁以保证删除数据期间其他线程不能对array进行修改，然后获取数组中要被删除的元素，并把剩余的元素复制到新数组，之后使用新数组替换原来的数组，最后在返回前释放锁。

弱一致性的迭代器

遍历列表元素可以使用迭代器。在讲解什么是迭代器的弱一致性前，先举一个例子来说明如何使用迭代器。

迭代器的hasNext方法用于判断列表中是否还有元素，next方法则具体返回元素。好了，下面来看CopyOnWriteArrayList中迭代器的弱一致性是怎么回事，所谓弱一致性是指返回迭代器后，其他线程对list的增删改对迭代器是不可见的，下面看看这是如何做到的。

当调用iterator()方法获取迭代器时实际上会返回一个COWIterator对象，COWIterator对象的snapshot变量保存了当前list的内容，cursor是遍历list时数据的下标。

为什么说snapshot是list的快照呢?明明是指针传递的引用啊，而不是副本。

如果在该线程使用返回的迭代器遍历元素的过程中，其他线程没有对list进行增删改，那么snapshot本身就是list的array,因为它们是引用关系。

但是如果在遍历期间其他线程对该list进行了增删改，那么snapshot就是快照了，因为增删改后list里面的数组被新数组替换了，这时候老数组被snapshot引用。

这也说明获取迭代器后，使用该迭代器元素时，其他线程对该list进行的增删改不可见，因为它们操作的是两个不同的数组，这就是弱一致性。

下面通过一个例子来演示多线程下迭代器的弱一致性的效果。

在如上代码中，main函数首先初始化了arrayList,然后在启动线程前获取到了arrayList迭代器。

子线程threadOne启动后首先修改了arrayList的第一个元素的值，然后删除了arrayList中下标为2和3的元素。

主线程在子线程执行完毕后使用获取的迭代器遍历数组元素，从输出结果我们知道，在子线程里面进行的操作一个都没有生效，这就是迭代器弱一致性的体现。

需要注意的是，获取迭代器的操作必须在子线程操作之前进行。