1、简述
在 Java 的并发编程中，CopyOnWriteArrayList 是一种特殊的线程安全的集合类。它位于 java.util.concurrent 包中，主要用于在并发读写场景下提供稳定的性能。与传统的 ArrayList 不同，CopyOnWriteArrayList 通过在每次修改时创建一个底层数组的新副本，确保了读操作的高效和线程安全性。
本文将详细探讨 CopyOnWriteArrayList 的工作原理、优缺点以及适用的场景。
2、工作原理
每当执行写操作（如添加、删除或更新元素）时，CopyOnWriteArrayList 都会创建一个新的数组副本，更新操作在新的数组上进行，而读操作则可以继续使用旧的数组，不会受到影响。这种设计确保了读操作与写操作互不干扰，从而避免了线程同步锁的开销。
例如，以下代码展示了如何在 CopyOnWriteArrayList 中添加元素：
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("Hello");
list.add("World");
在每次调用 add() 方法时，CopyOnWriteArrayList 会复制现有的数组，并在新的数组中添加元素。这使得修改操作非常安全，但代价是内存消耗会增加。
3、应用样例
CopyOnWriteArrayList 是 Java 中的线程安全集合，特别适合于读多写少的场景。它的底层实现是写时复制，即在对集合执行修改操作（如 add、remove 等）时，会创建一个集合的副本，所有修改在副本上进行，修改完成后将副本替换为主集合。这种特性保证了读操作可以不加锁，并在大部分时间内保持高效。
3.1 在迭代期间修改列表
CopyOnWriteArrayList 的一个主要优点是它允许在迭代期间进行修改（如添加或删除元素），而不会抛出 ConcurrentModificationException。
public class ModifyDuringIteration {
public static void main(String[] args) {
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("A");
list.add("B");
list.add("C");
// 在迭代时修改列表
for (String item : list) {
if ("B".equals(item)) {
list.add("D");
}
System.out.println(item);
}
System.out.println("List after modification: " + list);
}
}
在这里，迭代过程中添加新元素是安全的，迭代器将不感知到修改（它只读取最初的快照）。最终输出的列表将包含新添加的元素 D。
3.2 高并发下的读多写少场景
CopyOnWriteArrayList 适合多线程的读多写少场景，比如缓存配置或者白名单等不经常改变的数据列表：
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
public class MultiThreadAccess {
public static void main(String[] args) {
CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 初始化一些数据
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
list.add(i);
}
// 多线程读写
Runnable readTask = () -> {
for (Integer num : list) {
// 进行一些处理
}
};
Runnable writeTask = () -> {
list.add(1001);
list.remove(Integer.valueOf(0));
};
// 启动多个线程
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(readTask).start();
new Thread(writeTask).start();
}
}
}
在此场景下，读线程不会被阻塞，而写线程也能在读操作中不产生锁竞争的问题，从而实现高效访问。
4、应用场景
4.1 优点
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线程安全：CopyOnWriteArrayList 提供了内置的线程安全机制，适用于多线程环境。在不需要显式同步的情况下，多个线程可以安全地读取数据。
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读取效率高：由于读操作不需要加锁或同步，它的读取性能非常高，适合频繁读取的场景。
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无并发修改异常：传统的 ArrayList 在多线程环境下迭代时，如果同时发生修改操作，会抛出 ConcurrentModificationException。而 CopyOnWriteArrayList 在迭代时，使用的是修改前的快照（即副本），不会抛出异常。
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迭代时的安全性：由于迭代时访问的是数组的快照，读操作不会受到写操作的干扰，这就避免了在遍历过程中由于写操作导致的不一致性。
4.2 缺点
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内存开销大：每次修改时都会创建数组的副本，因此在写操作频繁时，内存开销会变得非常大。特别是当列表较大时，频繁的写操作会占用大量内存。
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写操作性能较差：由于每次写操作都需要复制整个数组，因此 CopyOnWriteArrayList 的写操作效率较低，特别是在有大量修改时性能会显著下降。
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延迟看到修改：写操作后，其他线程在某一时刻可能还在读取旧的数组快照，而不是立刻看到最新的修改。
4.3 适用场景
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读多写少的场景：CopyOnWriteArrayList 的设计非常适合读操作远多于写操作的场景。如果写操作非常频繁，CopyOnWriteArrayList 可能并不合适，应该考虑其他线程安全的集合。
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事件监听器：在某些事件驱动的系统中，如 GUI 应用程序或服务器监听器注册表，监听器的列表经常被读取，但修改（如添加或移除监听器）的次数较少。此时，CopyOnWriteArrayList 能提供良好的性能。
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缓存系统：在某些缓存场景中，缓存的数据可能会频繁地被读取，但数据更新操作较少。此时，CopyOnWriteArrayList 的特性能够避免缓存更新时的锁竞争问题。
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迭代操作场景：如果应用程序需要频繁地迭代列表，并且不希望迭代时受到并发修改的影响，CopyOnWriteArrayList 是一个不错的选择，因为它的迭代器基于快照机制，不会抛出 ConcurrentModificationException。
5、总结
CopyOnWriteArrayList 是 Java 并发集合库中一个非常实用的工具，尤其适用于读多写少的场景。它通过牺牲写操作的性能和内存开销，换取了读操作的高效和线程安全性。这使得它在某些特定的应用场景中表现得非常优越，比如事件监听器、缓存系统和频繁迭代的环境。然而，对于写操作频繁的场景，应该谨慎使用，以避免性能瓶颈和内存问题。
选择 CopyOnWriteArrayList 时，关键在于权衡读写操作的比例。如果读操作远多于写操作，CopyOnWriteArrayList 将是一个优秀的选择。
