CopyOnWriteArrayList深度分析

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一、引言

在Java并发编程中，线程安全的数据结构是至关重要的。CopyOnWriteArrayList是Java并发包java.util.concurrent中的一种线程安全ArrayList实现。它的主要特点是写操作会创建底层数组的新副本来实现线程安全，而读操作总是在当前数组上操作，无需同步。

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二、CopyOnWriteArrayList原理

CopyOnWriteArrayList基于乐观锁的思路，采用写时复制(Copy-On-Write)策略，在修改数据时复制一份数组，然后对新数组进行修改，完成后再替换掉旧的数组。这种策略在读多写少的并发场景中表现优异，因为读操作无需同步，直接在原数组上操作，极大地提高了读取效率。

缺陷

1. 由于写操作的时候，需要拷贝数组，会消耗内存，如果原数组的内容比较多的情况下，可能导致 young gc 或者 full gc
2. 不能用于实时读的场景，像拷贝数组、新增元素都需要时间，所以调用一个 set 操作后，读取到数据可能还是旧 的，虽然CopyOnWriteArrayList 能做到最终一致性，但是还是没法满足实时性要求；
3. CopyOnWriteArrayList 合适读多写少的场景，不过这类慎用。因为谁也没法保证 CopyOnWriteArrayList到底要放置多少数据，万一数据稍微有点多，每次 add/set 都要重新复制数组，这个代价实在太高昂了。在高性能的互联网应用中，这种操作分分钟引起故障。

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三、性能分析

1. 写性能：由于每次写操作都需要复制整个数组，所以写操作的性能开销较大。特别是当数组较大或者写操作频繁时，性能影响更加明显。
2. 读性能：由于读操作直接在原数组上进行，无需同步，所以读操作的性能开销较小。在读多写少的并发场景中，CopyOnWriteArrayList的性能优势明显。
3. 内存占用：由于每次写操作都需要复制整个数组，所以CopyOnWriteArrayList的内存占用相对较大。

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四、适用场景

CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的并发场景，如缓存、日志记录等。在这些场景中，读操作远多于写操作，CopyOnWriteArrayList的读性能优势可以得到充分发挥。然而，对于写操作频繁的场景，如订单处理、实时数据更新等，CopyOnWriteArrayList可能并不是最佳选择。

例如：以下场景，IP地址的黑白名单

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

/**
 * ip地址黑白名单
 *
 * @author yang
 * @version 1.0.0
 * @date 2024/1/22 11:01
 */
public class IPAccessManager {
    private final List<String> ipWhitelist;
    private final List<String> ipBlacklist;

    public IPAccessManager() {
        // 使用CopyOnWriteArrayList来存储IP地址列表，保证线程安全
        ipWhitelist = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList("192.168.0.1", "10.0.0.1"));
        ipBlacklist = new CopyOnWriteArrayList<>(Arrays.asList("192.168.0.2", "10.0.0.2"));
    }

    public boolean isAllowed(String ipAddress) {
        // 检查IP地址是否在白名单中
        if (ipWhitelist.contains(ipAddress)) {
            return true; // 允许访问
        }
        // 检查IP地址是否在黑名单中
        if (ipBlacklist.contains(ipAddress)) {
            return false; // 拒绝访问
        }
        // 其他情况，可能需要进一步验证或询问用户
        // doSomething
        return true; // 默认允许访问（这只是一个示例，实际应用中可能需要更复杂的逻辑）
    }

    public static void main(String[] args) {
        IPAccessManager accessManager = new IPAccessManager();
        String ipAddress = "192.168.0.3"; // 示例IP地址
        boolean isAllowed = accessManager.isAllowed(ipAddress);
        if (isAllowed) {
            System.out.println(ipAddress + "允许访问");
        } else {
            System.out.println(ipAddress + "拒绝访问");
        }
    }
}

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五、注意事项

1. 线程安全：虽然CopyOnWriteArrayList是线程安全的，但在高并发场景下，如果多个线程同时进行写操作，仍然可能引发数据不一致的问题。因此，在使用CopyOnWriteArrayList时，应确保写操作尽可能地少且集中。
2. 迭代器失效：CopyOnWriteArrayList的迭代器是弱一致性的，当迭代器被创建后，如果底层数组发生改变，迭代器不会抛出ConcurrentModificationException异常，但迭代器获取到的元素可能已经不是最新的。因此，在使用迭代器遍历CopyOnWriteArrayList时，需要注意这一点。
3. 适用性：由于CopyOnWriteArrayList的写性能和内存占用都有较大的开销，因此在使用时需要根据实际需求进行权衡。在选择数据结构时，应充分考虑业务场景和性能要求。

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六、总结

CopyOnWriteArrayList是一种适用于读多写少并发场景的线程安全数据结构。它通过写时复制的策略实现了高效的读操作和线程安全。然而，由于每次写操作都需要复制整个数组，导致写性能和内存占用都有较大的开销。在使用CopyOnWriteArrayList时，需要根据实际需求进行权衡和选择。