Java集合（三）：线程安全的 List

Catalogue

1. 1 Vector
2. 2 synchronizedList 方式
3. 3 CopyOnWriteArrayList
   1. 3.1 add(E e)
   2. 3.2 get(int index)
   3. 3.3 遍历
   4. 3.4 总结
4. 4 快速失败（fast-fail）和 安全失败（safe-fail)
5. 参考资料

注意
本系列文章是笔者在参考了大量优秀文章的基础上的理解，由于水平有限，难免会出现错误，望批评指正，同时我也会把自己最新的理解及时更新到文章中去。最后，我会在文中注明参考文章，特别感谢这些无私奉献的作者。

紧接着上一篇文章，我们知道了 ArrayList 是线程不安全的，那 Java 又为我们提供了哪些方式实现线程安全的 List 呢?

有三种方式：
1、Vector。
2、Collections.synchronizedList(List l)。
3、CopyOnWriteArrayList。

1 Vector

Vector 的代码思路几乎和ArrayList一致，不同点有如下：
1、每个操作方法都加了 synchronized 关键字保证同步。
2、调用 Vector 构造方法一定会新建数组。
3、当 capacityIncrement <=0 时，扩容后的数组大小会是原来的2倍，否则就在原来的基础上增加 capacityIncrement 。

相同点如下：
1、增删改查、遍历逻辑一致。
2、遍历过程中操作 Vector 或 List 都会导致 ConcurrentModificationException 异常，即他们都有 fast-fail 机制。

特别地，对于多线程操作 Vector 时，特殊场景依然会导致错误发生，具体请参考文末的参考资料中 1.2 部分的内容。

2 synchronizedList 方式

Collections 类下面的 synchronizedList 方法则是在原 List 外面包了一层 synchronized 而已，遇到高并发的场景，依然和 Vector 一样，性能很低。

3 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 内部维护着一个叫 array 的数组，它的定义如下:

/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;

由注释可以知道，该变量只能通过 getArray/setArray 来取值赋值。

3.1 add(E e)

public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            newElements[len] = e;
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

大致思路是：加锁->依据旧数组新建一个长度比旧数组多1的新数组->将值放在新数组最后->替换旧数组为新数组的值->释放锁。

不知道你发现没有，CopyOnWriteArrayList 的扩容策略和 ArrayList、Vector 不一样了，它是按需分配新数组的大小来实现的扩容。

CopyOnWriteArrayList 的增删改方法在逻辑上类似，这里不一一介绍了。

3.2 get(int index)

public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }

private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }

获取方法没有加锁的逻辑，直接是从旧数组中获取。

3.3 遍历

CopyOnWriteArrayList 的遍历方式也是分为两类。

第一类:

for (int i = 0; i < size; i++) {
            copyOnWriteArrayList.get(i);
        }

第二类：

Iterator iterator = copyOnWriteArrayList.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            iterator.next();
        }

在第二类写法中，我们在讲ArrayList时说过不能在循环过程中对List进行增删改操作，原因就不再重复了，不知道的可以回过头去看看。CopyOnWriteArrayList 是没有这个限制的，它是如何做到的呢？

我们来看下 copyOnWriteArrayList.iterator() 做了什么。

public Iterator<E> iterator() {
        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
    }

public ListIterator<E> listIterator() {
        return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
    }

iterator()和listIterator()是一样的，都生成了一个 COWIterator 对象，并传入了当前数组的值（注意是旧值）以及 initialCursor。

再来看看 COWIterator 类的实现。

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
        /** Snapshot of the array */
        private final Object[] snapshot;
        /** Index of element to be returned by subsequent call to next.  */
        private int cursor;

        private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
            cursor = initialCursor;
            snapshot = elements;
        }

        public boolean hasNext() {
            return cursor < snapshot.length;
        }

        public boolean hasPrevious() {
            return cursor > 0;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            if (! hasNext())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[cursor++];
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E previous() {
            if (! hasPrevious())
                throw new NoSuchElementException();
            return (E) snapshot[--cursor];
        }

        public int nextIndex() {
            return cursor;
        }

        public int previousIndex() {
            return cursor-1;
        }

        /**
         * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
         * @throws UnsupportedOperationException always; {@code remove}
         *         is not supported by this iterator.
         */
        public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        /**
         * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
         * @throws UnsupportedOperationException always; {@code set}
         *         is not supported by this iterator.
         */
        public void set(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        /**
         * Not supported. Always throws UnsupportedOperationException.
         * @throws UnsupportedOperationException always; {@code add}
         *         is not supported by this iterator.
         */
        public void add(E e) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        @Override
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            Object[] elements = snapshot;
            final int size = elements.length;
            for (int i = cursor; i < size; i++) {
                @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) elements[i];
                action.accept(e);
            }
            cursor = size;
        }
    }

从代码中可以看出，COWIterator不支持增删改，也没有fast-fail机制，只提供了遍历功能。当在遍历过程中修改了 CopyOnWriteArrayList ,对遍历没有任何影响。

3.4 总结

CopyOnWriteArrayList缺点：
1、内存占用：如果CopyOnWriteArrayList经常要增删改里面的数据，经常要执行add()、set()、remove()的话，那是比较耗费内存的。因为我们知道每次add()、set()、remove()这些增删改操作都要复制一个数组出来。
2、数据一致性：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。
从上面的例子也可以看出来，比如线程A在迭代CopyOnWriteArrayList容器的数据。线程B在线程A迭代的间隙中将CopyOnWriteArrayList部分的数据修改了(已经调用setArray()了)。但是线程A迭代出来的是原有的数据。
CopyOnWriteArrayList优点：
保证了并发时的可靠性。

4 快速失败（fast-fail）和 安全失败（safe-fail)

参考链接>>

一：快速失败（fail—fast）

在用迭代器遍历一个集合对象时，如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改（增加、删除、修改），则会抛出Concurrent Modification Exception。

原理：迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历。

注意：这里异常的抛出条件是检测到 modCount！=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改modCount值刚好又设置为了expectedmodCount值，则异常不会抛出。因此，不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程，这个异常只建议用于检测并发修改的bug。

场景：java.util包下的集合类都是快速失败的，不能在多线程下发生并发修改（迭代过程中被修改）。

二：安全失败（fail—safe）

采用安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。

原理：由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历，所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到，所以不会触发Concurrent Modification Exception。

缺点：基于拷贝内容的优点是避免了Concurrent Modification Exception，但同样地，迭代器并不能访问到修改后的内容，即：迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝，在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的。

场景：java.util.concurrent包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改。

---

参考资料

CopyOnWriteArrayList你都不知道，怎么拿offer？