Java 入门指南：Java 并发编程 —— Copy-On-Write 写时复制技术

server/2024/10/18 10:14:40/

文章目录

    • Copy-On-Write
      • 使用场景
      • 特点
      • 缺点
      • CopyOnWrite 和 读写锁
        • 相同点之处
        • 不同之处
    • CopyOnWriteArrayList
      • 适用场景
      • 主要特性
      • 方法
      • 构造方法
      • CopyOnWriteArrayList 使用示例
    • CopyOnWriteArraySet
      • 适用场景
      • 主要特性
      • 方法
      • 构造方法
      • 使用注意事项
      • CopyOnWriteArraySet 使用示例

Copy-On-Write

CopyOnWrite 是 Java 中一种常用的并发编程技术，指的是在修改共享资源时，不直接修改原始数据，而是在新的副本上进行操作，并最终将修改结果写回原始数据。它的核心思想是：可以容忍读操作并发，但写操作需要互斥执行（写时复制），牺牲了数据的实时性。这种技术通过减少数据共享时的并发冲突，提高了系统的整体效率和稳定性。

使用场景

  1. 并发集合：在 Java 中，CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet 就是基于Copy-on-Write模式实现的线程安全集合。这些集合适用于读多写少的并发场景，能够显著提高读操作的性能。

  2. 操作系统中的进程和内存管理：在UNIX类操作系统中，fork()系统调用创建子进程时，父进程和子进程会共享相同的内存页面，并将这些页面标记为写时复制。当任何一个进程尝试修改这些共享页面时，操作系统会创建页面的副本，并在副本上进行修改，从而保证了进程间的内存隔离和独立性。

  3. 数据库系统：在数据库系统中，Copy-on-Write 模式可以用于实现 MVCC（多版本并发控制）等机制，以支持事务的隔离性和一致性。

一个典型的使用场景是缓存更新。我们可以将缓存数据存储在一个副本中，读操作直接返回该副本的数据，而不影响缓存的读取。当需要更新缓存数据时，可以使用 CopyOnWrite 技术创建一个新的副本进行修改，同时保证读操作的连续性，而不会影响到线程安全。

由于每次写操作都需要创建全新的副本，因此在频繁进行写操作的场景下，使用 CopyOnWrite 技术可能会造成性能瓶颈。对于这种情况，可以考虑使用其他的线程安全集合实现。

特点

CopyOnWrite 技术的特点是写操作慢，但读操作快。因为每次写操作都需要创建一个全新的副本，在复制数据到副本的同时，读操作仍然可以并发访问原始数据。这种设计可以避免写和读操作并发执行而导致的数据不一致问题。

  1. 读写分离：Copy-on-Write 模式实现了数据的读写分离，即读操作和写操作分别在不同的数据副本上进行，避免了并发访问时的冲突。

  2. 延迟复制：只有在数据需要被修改时，才会进行数据的复制操作，这是一种懒惰复制策略，有助于减少不必要的内存和CPU开销。

  3. 线程安全：在并发编程中，Copy-on-Write 模式提供了一种高效的线程安全解决方案，允许多个线程同时读取数据而无需加锁。

缺点

  1. 内存占用问题：因为 CopyOnWrite 的写时复制机制，在进行写操作的时候，内存里会同时有两个对象，旧的对象和新写入的对象，分析 add 方法的时候大家都看到了。

    如果这些对象占用的内存比较大，比如 200M ，那么再写入 100M 数据进去，内存就会占用 600M，那么这时候就会造成频繁的 minor GC 和 major GC。

  2. 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。对于希望写入的的数据马上能读到的场景，最好通过 ReentrantReadWriteLock 自定义一个列表。

CopyOnWrite 和 读写锁

相同点之处

  1. 线程安全：CopyOnWrite 和读写锁都提供了线程安全的数据结构或机制，使得多个线程可以安全地共享数据而不会导致数据不一致的问题。

  2. 支持并发读取：它们都允许多个线程同时读取数据而不进行加锁，从而提高了读取操作的性能。

  3. 读写分离：两者都区分了读操作和写操作，尽可能减少了读写冲突带来的性能损失。

不同之处

  1. 实现机制：

    • CopyOnWrite 采用的是写时复制的策略，即在执行写操作（如添加、删除等）时，会创建数据的一个新副本，并将修改应用到新副本上，然后再替换旧的数据引用。这种方法在读取操作时不加锁，但在写操作时会产生较大的开销。

    • 读写锁（如 ReentrantReadWriteLock）则是通过使用不同的锁来区分读操作和写操作。读操作可以并发执行，但写操作会独占锁，阻止其他读写操作，直到写操作完成。

  2. 性能特点：

    • CopyOnWrite 在读多写少的场景下表现较好，因为读取操作不会被阻塞，但写操作由于需要复制整个数据结构，可能会消耗较多的内存和CPU资源。

    • 读写锁 在写操作较少的情况下也能保持较高的性能，因为它只在写操作时才会阻塞其他操作。读操作可以并发执行，不会造成太大的性能损失。

  3. 内存消耗：

    • CopyOnWrite 在执行写操作时会创建数据的副本，因此在高并发写操作的场景下可能会导致较高的内存消耗。

    • 读写锁 则不会产生额外的内存开销，因为它只是控制对现有数据的访问权限。

  4. 适用场景：

    • CopyOnWrite 更适合读多写少的场景，尤其是在写操作频率较低的情况下。

    • 读写锁 适用于读写操作都较为频繁的场景，尤其是当写操作也较为常见时。

  5. 迭代器行为：

    • CopyOnWrite 的迭代器在迭代过程中是安全的，即使有其他线程在修改数据也不会抛出 ConcurrentModificationException。

    • 读写锁 的迭代器在迭代过程中如果数据被修改，则可能会抛出 ConcurrentModificationException，除非使用了显式的锁来保护迭代过程。

  6. 并发级别：

    • CopyOnWrite 在读取操作时允许多个线程并发访问，但在写操作时需要复制整个数据结构，因此写操作是独占的。

    • 读写锁 在读取操作时允许多个线程并发访问，而在写操作时也是独占的，但可以通过锁降级等方式优化性能。

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteList 是 Java 中的一个线程安全的列表实现类，继承自 AbstractList 类，属于并发集合的一种。在需要并发读取列表数据的同时，保证写操作的可靠性和一致性。

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

CopyOnWriteArrayList 内部维护的了一个数组，并使用 volatile
修饰，保证数据的可见性。在修改数组时，不是直接修改原数组，而是先复制一份原数组的副本，然后在副本上进行修改，最后将原数组的引用指向新的副本。这种机制保证了读操作的无锁性和高效性，非常适合读多写少的并发场景。

适用场景

CopyOnWriteArrayList 特别适用于读多写少的并发场景，例如：

  • 在线新闻发布系统：新闻列表需要被频繁地读取（用户浏览新闻），但只偶尔被修改（发布新新闻或更新现有新闻）。

  • 缓存数据：当缓存数据被多个线程频繁读取，但更新频率较低时，可以使用 CopyOnWriteArrayList 来存储缓存数据。

主要特性

CopyOnWriteList 的特点是它在对集合进行修改时（添加、删除、修改元素），不直接在原有集合上进行操作，而是创建一个新的副本进行修改。这种设计使得读操作可以在没有锁的情况下并发进行，从而提高了读操作的性能。

由于每次修改都会创建一个新的副本，因此 CopyOnWriteList 的修改操作会更慢，需要更多的内存开销。它更适用于读多写少的场景，比如数据一旦初始化后就很少修改的情况。

CopyOnWriteList 实现了List 接口，因此可以像普通的列表一样使用它，例如添加元素、删除元素、获取元素等操作。

由于 CopyOnWriteList 的修改操作是基于副本进行的，因此对其进行修改的操作，在不同的线程中可能看不到立即的更新。

方法

![[Collection 接口#List 接口常用方法|List 接口 方法]]

由于 CopyOnWriteArrayList 使用 CopyOnWrite 技术，在修改列表时会创建一个新的副本。因此，修改操作（例如 add、remove、set 等）会比较慢，并且消耗较多的内存。但是，读操作（例如 get、contains 等）是高效的，不需要锁定。

由于 CopyOnWriteArrayList 继承自 AbstractList 类，所以它也具有 AbstractList 类中定义的一些方法，例如 add(int index, E element)、remove(int index)、iterator() 等

构造方法

  1. 创建一个初始为空的 CopyOnWriteArrayList。
java">CopyOnWriteArrayList<>();
  1. 创建一个包含指定集合中的元素的 CopyOnWriteArrayList。
java">CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> collection)
  1. 创建一个包含指定数组中的元素的 CopyOnWriteArrayList。
java">CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn)

CopyOnWriteArrayList 使用示例

CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的列表实现，它在执行写入操作（如添加、删除等）时会创建整个列表的一个新副本，并将修改应用到新副本上，然后替换旧的列表引用。这样可以保证读取操作不会受到写入操作的影响，从而简化了并发访问的同步问题。

java">import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;public class CopyOnWriteArrayListExample {public static void main(String[] args) {// 创建 CopyOnWriteArrayListCopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();// 添加元素list.add("Apple");list.add("Banana");list.add("Cherry");// 打印列表System.out.println("原始列表: " + list);// 创建线程修改列表Thread modifyThread = new Thread(() -> {list.remove("Banana");list.add("Durian");System.out.println("修改后的列表: " + list);});// 创建线程读取列表Thread readThread = new Thread(() -> {Iterator<String> iterator = list.iterator();while (iterator.hasNext()) {System.out.println("读取到的元素: " + iterator.next());}});// 启动线程modifyThread.start();readThread.start();try {// 等待线程结束modifyThread.join();readThread.join();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.err.println("主线程被中断");}}
}

CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteSet 是 Java 中的一个线程安全的集合实现类，实现了 Set 接口，属于并发集合的一种。

CopyOnWriteSet 是基于 CopyOnWriteArrayList 实现的，它使用一个内部的 CopyOnWriteArrayList 来存储元素。而 CopyOnWriteSet 具备了 Set 的特性，其中的元素是唯一的且无序的。

CopyOnWriteSet 的特点与 CopyOnWriteList 类似，它在对集合进行修改时（添加、删除元素），不直接在原有集合上进行操作，而是创建一个新的副本进行修改。这种设计使得读操作可以在没有锁的情况下并发进行，从而提高了读操作的性能。更适用于读多写少的场景

由于 CopyOnWriteSet 实现了 Set 接口，因此可以像普通的集合一样使用它。由于它的修改操作是基于副本进行的，因此对 CopyOnWriteSet 进行修改的操作，在不同的线程中也可能看不到立即的更新。

适用场景

CopyOnWriteArraySet 也特别适用于读多写少的并发场景，如缓存、配置信息的存储等。在这些场景中，数据的读取操作远多于写入操作，因此可以充分利用 CopyOnWriteArraySet 的读操作高效性，同时避免写操作时的线程安全问题。

主要特性

  1. 线程安全：CopyOnWriteArraySet 通过内部的 CopyOnWriteArrayList 保证了集合的线程安全性，允许多个线程同时读取集合内容，而无需进行外部同步。

  2. 无序性：CopyOnWriteArraySet 是一个无序集合，元素的存储顺序是不确定的。

  3. 写时复制：在修改集合（如添加或删除元素）时，会先复制当前集合的一个副本，然后在副本上进行修改，最后将原集合的引用指向新的副本。这种机制避免了写操作时的线程冲突，但增加了写操作的开销。

  4. 读操作高效：由于读操作直接访问原集合，且无需加锁，因此读操作的速度非常快。

  5. 写操作开销大：每次写操作都需要复制整个集合，如果集合中的数据量较大，写操作可能会比较耗时，并占用较多的内存。

方法

![[Collection 接口#Set 接口常用方法]]

构造方法

  1. 创建一个初始为空的 CopyOnWriteArraySet。
java">CopyOnWriteArraySet<>();
  1. 创建一个包含指定集合中的元素的 CopyOnWriteArraySet。
java">CopyOnWriteArraySet(Collection<? extends E> collection)

使用注意事项

  1. 内存占用：由于写操作会复制整个集合，因此在数据量较大时，CopyOnWriteArraySet 可能会占用较多的内存。

  2. 数据一致性：CopyOnWriteArraySet 只能保证数据的最终一致性，即在写操作完成后的一段时间内（通常是下一次读操作前），新写入的数据才能被读取到。如果需要实时读取最新数据，则不适合使用 CopyOnWriteArraySet。

  3. 不支持null元素：与 HashSet 不同，CopyOnWriteArraySet 不允许存储null元素。如果尝试添加null元素，将抛出NullPointerException异常。

CopyOnWriteArraySet 使用示例

CopyOnWriteArraySet 是一个基于 CopyOnWriteArrayList 的线程安全的集合，它保证了元素的唯一性。它同样采用了写时复制的策略来保证读操作的安全性。

java">import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;public class CopyOnWriteArraySetExample {public static void main(String[] args) {// 创建 CopyOnWriteArraySetCopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();// 添加元素set.add("Apple");set.add("Banana");set.add("Cherry");set.add("Banana"); // 尝试添加重复元素// 打印集合System.out.println("原始集合: " + set);// 创建线程修改集合Thread modifyThread = new Thread(() -> {set.remove("Banana");set.add("Durian");System.out.println("修改后的集合: " + set);});// 创建线程读取集合Thread readThread = new Thread(() -> {for (String element : set) {System.out.println("读取到的元素: " + element);}});// 启动线程modifyThread.start();readThread.start();try {// 等待线程结束modifyThread.join();readThread.join();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.err.println("主线程被中断");}}
}

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