CopyOnWriteArrayList 如何是线程安全的？答案

【问题标题】：How can CopyOnWriteArrayList be thread-safe?CopyOnWriteArrayList 如何是线程安全的？
【发布时间】：2011-02-26 09:50:50
【问题描述】：

我查看了CopyOnWriteArrayList 的OpenJDK source code，似乎所有的写操作都受到同一个锁的保护，而读操作根本不受保护。据我了解，在 JMM 下，对变量的所有访问（读取和写入）都应该受到锁的保护，否则可能会发生重新排序的影响。

例如，set(int, E) 方法包含这些行（处于锁定状态）：

/* 1 */ int len = elements.length;
/* 2 */ Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
/* 3 */ newElements[index] = element;
/* 4 */ setArray(newElements);

另一方面，get(int) 方法仅适用于 return get(getArray(), index);。

在我对 JMM 的理解中，这意味着如果语句 1-4 像 1-2(new)-4-2(copyOf)-3 一样重新排序，get 可能会观察到数组处于不一致状态。

我对 JMM 的理解是否有误，或者是否有任何其他解释说明为什么 CopyOnWriteArrayList 是线程安全的？

【问题讨论】：

标签： java data-structures concurrency java-memory-model

【解决方案1】：

如果您查看底层数组引用，您会看到它被标记为volatile。当发生写入操作时（例如在上面的摘录中），此volatile 引用仅在通过setArray 的最终语句中更新。到目前为止，任何读取操作都会从数组的旧副本返回元素。

重点是数组更新是原子操作，因此读取将始终看到数组处于一致状态。

只为写入操作锁定的优点是提高了读取的吞吐量：这是因为CopyOnWriteArrayList 的写入操作可能会非常慢，因为它们涉及复制整个列表。

【讨论】：

谢谢。我错过了数组是volatile。
一个重要的细节是 volatile 仅适用于数组引用本身，而不适用于数组的内容。但是，由于对数组的所有更改都是在其引用发布之前进行的，因此 volatile 保证会扩展到数组的内容。
Up until this point any read operations...。那么，这是否意味着如果 COW 迭代器尚未到达该项目/点/位置，它仍然可能看到更新的值？

【解决方案2】：

获取数组引用是一个原子操作。因此，读者要么会看到旧数组，要么会看到新数组——无论哪种方式，状态都是一致的。（set(int,E)在设置引用之前计算新的数组内容，所以赋值时数组是一致的。）

数组引用本身被标记为volatile，因此读者不需要使用锁来查看对引用数组的更改。（编辑：另外，volatile 保证分配不会重新排序，这将导致在数组可能处于不一致状态时完成分配。）

需要写锁来防止并发修改，这可能导致数组持有不一致的数据或更改丢失。

【讨论】：

这不是 100% 准确的。设置引用的原子性不足以保证一致性，Java 内存模型规则解决了这个问题。可能会发生乱序写入和指令重新排序，然后线程可以接收指向不一致对象的引用。双重检查锁定模式也会发生这种情况（请参阅ibm.com/developerworks/java/library/j-dcl.html）
不一样。对 volatile 的读/写被认为是 JMM 所称的“同步操作”，并定义了可以重新排序的障碍。见java.sun.com/docs/books/jls/third_edition/html/memory.html
@Eyal Schneider：欢迎来到 2004 年（参见 ibm.com/developerworks/library/j-jtp03304）。阅读标题为“volatile 的新保证”的部分
没错。但是根据您的回复，看起来引用设置的原子性本身就可以保证数据的完整性。
这是一个答案的细节问题。但由于这至少对一个人造成了困惑，我将更新我的答案以明确这一点。

【解决方案3】：

所以根据Java 1.8，以下是CopyOnWriteArrayList中array和lock的声明。

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

/** The lock protecting all mutators */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

以下是CopyOnWriteArrayList

的add方法的定义

 public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

正如@Adamski 已经提到的，array 是易变的，只能通过 setArray 方法更新。之后，如果进行了所有只读调用，那么它们将获得更新的值，因此数组在这里始终是一致的。

【讨论】：

【解决方案4】：

CopyOnWriteArrayList 是 Java 5 并发 API 中引入的并发 Collection 类，以及它在 Java 中流行的表亲 ConcurrentHashMap。

CopyOnWriteArrayList 实现了 List 接口，如 ArrayList、Vector 和 LinkedList，但它是一个线程安全的集合，它以与 Vector 或其他线程安全集合类略有不同的方式实现其线程安全。

顾名思义，CopyOnWriteArrayList 创建底层副本 ArrayList 与每个突变操作，例如添加或设置。一般 CopyOnWriteArrayList 非常昂贵，因为它涉及成本高昂每次写入操作时都进行数组复制，但 如果您这样做会非常有效有一个迭代超过突变的列表，例如你主要需要迭代 ArrayList，不要经常修改。

CopyOnWriteArrayList 的迭代器是故障安全的，不会抛出异常 ConcurrentModificationException 即使底层一旦迭代开始，CopyOnWriteArrayList 就会被修改，因为迭代器在 ArrayList 的单独副本上运行。因此所有在 CopyOnWriteArrayList 上所做的更新不适用于 Iterator。

要获得最新版本，请重新阅读list.iterator();

话虽如此，大量更新此集合会降低性能。如果您尝试对 CopyOnWriteArrayList 进行排序，您将看到列表抛出 UnsupportedOperationException（排序调用集合上的集合 N 次）。仅当您进行超过 90% 的读取时才应使用此读取。

【讨论】：