java.util.concurrent中的CopyOnWrite容器(转载)

今天在CoolShell上看到有人在介绍CopyOnWrite容器,突然一看觉得非常高大上,然后突然一看原来是java.util.concurrent中早就实现好的类,瞬间觉得自己j2se白学了,连这些成熟的实现都不知道。但是仔细一想还是在工作中没有这样的应用场景,所以导致好多东西都弱化了。

言归正传,看看人家是怎么讲CopyOnWrite容器的吧。

以下内容转载自酷壳:

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。

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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?
????
????????// 把原数组引用指向新数组????????? newElements[len] = e;?
????
????????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:

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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;???????? }???? } }

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:

 

packagecom.ifeve.book;?
?
importjava.util.Map;?
?
importcom.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;?
?
/**?
?*?黑名单服务?
?*?
?*?@author?fangtengfei?
?*?
?*/
publicclassBlackListServiceImpl?{?
?
????privatestaticCopyOnWriteMap<String,?Boolean>?blackListMap?=?newCopyOnWriteMap<String,?Boolean>(?
????????????1000);?
?
????publicstaticbooleanisBlackList(String?id)?{?
????????returnblackListMap.get(id)?==?null??false:?true;?
????}?
?
????publicstaticvoidaddBlackList(String?id)?{?
????????blackListMap.put(id,?Boolean.TRUE);?
????}?
?
????/**?
?????*?批量添加黑名单?
?????*?
?????*?@param?ids?
?????*/
????publicstaticvoidaddBlackList(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:

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。

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。