CopyOnWriteArrayList：写时复制实现的高并发列表

摘要

本文深入剖析Java并发包中的CopyOnWriteArrayList，通过源码解析和场景分析，揭示其写时复制的核心机制、线程安全策略及适用场景，帮助开发者合理选择并发容器。

一、引言

在多线程编程中，ArrayList的线程不安全特性常导致并发问题。CopyOnWriteArrayList作为其线程安全的替代方案，通过写时复制（Copy-On-Write）策略，在保证线程安全的同时优化了读性能。

二、核心原理

1. 底层数据结构

// 存储元素的数组（volatile保证可见性）
private transient volatile Object[] array;
// 可重入锁保护写操作
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

2. 写操作流程（以add为例）

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // 加锁
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        // 1. 复制原数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 2. 写入新数组
        newElements[len] = e;
        // 3. 更新数组引用
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock(); // 释放锁
    }
}

3. 读操作优化

public E get(int index) {
    return (E) getArray()[index]; // 直接访问原数组
}

4. 迭代器实现

• 快照机制：迭代器创建时保存当前数组的副本
• 无fail-fast：遍历时不检查修改，避免ConcurrentModificationException

三、关键特性

四、典型应用场景

1. 配置中心：动态加载配置，读操作远多于写操作
2. 日志监控：异步收集日志数据，保证监控线程安全读取
3. 事件监听：多线程注册/注销监听器，确保事件分发安全
4. 缓存系统：缓存数据定期更新，查询操作高频稳定

// 配置中心示例
public class ConfigCenter {
    private static final CopyOnWriteArrayList<ConfigChangeListener> listeners 
        = new CopyOnWriteArrayList<>();

    public static void addListener(ConfigChangeListener listener) {
        listeners.add(listener);
    }

    public static void broadcastUpdate(Config config) {
        for (ConfigChangeListener listener : listeners) {
            listener.onUpdate(config); // 遍历快照安全
        }
    }
}

五、性能对比

测试环境：JDK 11，Intel i7-10700K，10万次操作

六、使用建议

1. 适用场景：读/写比例 > 10:1的场景
2. 内存管理：避免存储大对象，定期清理无效元素
3. 数据一致性：在允许短暂脏读的场景使用
4. 锁优化：可结合ConcurrentHashMap等容器实现读写分离

// 读写分离优化示例
public class HybridCache {
    private final CopyOnWriteArrayList<CacheEntry> readCache = new CopyOnWriteArrayList<>();
    private final ConcurrentHashMap<String, CacheEntry> writeCache = new ConcurrentHashMap<>();

    public CacheEntry get(String key) {
        return readCache.stream()
                       .filter(e -> e.getKey().equals(key))
                       .findFirst()
                       .orElseGet(() -> writeCache.get(key));
    }
}

七、总结

CopyOnWriteArrayList通过写时复制策略，在保证线程安全的同时实现了高效读操作，是解决读多写少并发问题的理想选择。但需注意其内存开销和最终一致性特性，合理设计数据结构与使用场景，才能发挥最大效能。

下期预告：并发容器深度解析之ConcurrentHashMap的分段锁演进。