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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。


方 騰飛

花名清英,併發網(ifeve.com)創始人,暢銷書《Java併發程式設計的藝術》作者,螞蟻金服技術專家。目前工作於支付寶微貸事業部,關注網際網路金融,併發程式設計和敏捷實踐。微信公眾號aliqinying。