聊聊併發-Java中的Copy-On-Write容器
Copy-On-Write簡稱COW，是一種用於程式設計中的優化策略。其基本思路是，從一開始大家都在共享同一個內容，當某個人想要修改這個內容的時候，才會真正把內容Copy出去形成一個新的內容然後再改，這是一種延時懶惰策略。從JDK1.5開始Java併發包裡提供了兩個使用CopyOnWrite機制實現的併發容器,它們是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的併發場景中使用到。
什麼是CopyOnWrite容器
CopyOnWrite容器即寫時複製的容器。通俗的理解是當我們往一個容器新增元素的時候，不直接往當前容器新增，而是先將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，然後新的容器裡新增元素，新增完元素之後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行併發的讀，而不需要加鎖，因為當前容器不會新增任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一種讀寫分離的思想，讀和寫不同的容器。
CopyOnWriteArrayList的實現原理
在使用CopyOnWriteArrayList之前，我們先閱讀其原始碼瞭解下它是如何實現的。以下程式碼是向ArrayList裡新增元素，可以發現在新增的時候是需要加鎖的，否則多執行緒寫的時候會Copy出N個副本出來。
public boolean add(T e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 複製出新陣列
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 把新元素新增到新數組裡
newElements[len] = e;
// 把原陣列引用指向新陣列
setArray(newElements);
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
讀的時候不需要加鎖，如果讀的時候有多個執行緒正在向ArrayList新增資料，讀還是會讀到舊的資料，因為寫的時候不會鎖住舊的ArrayList。
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
JDK中並沒有提供CopyOnWriteMap，我們可以參考CopyOnWriteArrayList來實現一個，基本程式碼如下：
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;
}
}
}
實現很簡單，只要瞭解了CopyOnWrite機制，我們可以實現各種CopyOnWrite容器，並且在不同的應用場景中使用。
CopyOnWrite的應用場景
CopyOnWrite併發容器用於讀多寫少的併發場景。比如白名單，黑名單，商品類目的訪問和更新場景，假如我們有一個搜尋網站，使用者在這個網站的搜尋框中，輸入關鍵字搜尋內容，但是某些關鍵字不允許被搜尋。這些不能被搜尋的關鍵字會被放在一個黑名單當中，黑名單每天晚上更新一次。當用戶搜尋時，會檢查當前關鍵字在不在黑名單當中，如果在，則提示不能搜尋。實現程式碼如下：
package com.ifeve.book;
import java.util.Map;
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
/**
* 黑名單服務
*
* @author fangtengfei
*
*/
public class BlackListServiceImpl {
private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
1000);
public static boolean isBlackList(String id) {
return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
}
public static void addBlackList(String id) {
blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
}
/**
* 批量新增黑名單
*
* @param ids
*/
public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
blackListMap.putAll(ids);
}
}
程式碼很簡單，但是使用CopyOnWriteMap需要注意兩件事情：
1. 減少擴容開銷。根據實際需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免寫時CopyOnWriteMap擴容的開銷。
2. 使用批量新增。因為每次新增，容器每次都會進行復制，所以減少新增次數，可以減少容器的複製次數。如使用上面程式碼裡的addBlackList方法。
CopyOnWrite的缺點
CopyOnWrite容器有很多優點，但是同時也存在兩個問題，即記憶體佔用問題和資料一致性問題。所以在開發的時候需要注意一下。
記憶體佔用問題。因為CopyOnWrite的寫時複製機制，所以在進行寫操作的時候，記憶體裡會同時駐紮兩個物件的記憶體，舊的物件和新寫入的物件（注意:在複製的時候只是複製容器裡的引用，只是在寫的時候會建立新物件新增到新容器裡，而舊容器的物件還在使用，所以有兩份物件記憶體）。如果這些物件佔用的記憶體比較大，比如說200M左右，那麼再寫入100M資料進去，記憶體就會佔用300M，那麼這個時候很有可能造成頻繁的Yong GC和Full GC。之前我們系統中使用了一個服務由於每晚使用CopyOnWrite機制更新大物件，造成了每晚15秒的Full GC，應用響應時間也隨之變長。
針對記憶體佔用問題，可以通過壓縮容器中的元素的方法來減少大物件的記憶體消耗，比如，如果元素全是10進位制的數字，可以考慮把它壓縮成36進位制或64進位制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的併發容器，如ConcurrentHashMap。
資料一致性問題。CopyOnWrite容器只能保證資料的最終一致性，不能保證資料的實時一致性。所以如果你希望寫入的的資料，馬上能讀到，請不要使用CopyOnWrite容器。
關於C++的STL中，曾經也有過Copy-On-Write的玩法，參見陳皓的《C++ STL String類中的Copy-On-Write》，後來，因為有很多執行緒安全上的事，就被去掉了。
