【Java】CopyOnWriteArrayList核心源码解析与写时复制机制详解

并发编程 Java集合源码分析

Java Java基础

发布日期: 2025-03-20

更新日期: 2025-03-20

文章字数: 767

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一、写时复制机制原理

1.1 设计思想

通过写时复制（Copy-On-Write）策略实现并发安全，所有修改操作都会创建底层数组的新副本。这种设计保证：

读操作完全无锁，直接访问当前数组引用
写操作通过ReentrantLock保证原子性
迭代器使用创建时的数组快照，避免ConcurrentModificationException

1.2 适用场景

适用于读操作远多于写操作的场景，例如：

事件监听器列表管理
黑白名单等配置数据的读取
需要保证数据最终一致性的场景

不适用于写操作频繁或数据实时性要求高的场景

二、核心数据结构

// 使用volatile保证数组引用的可见性
private transient volatile Object[] array;

final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

三、并发控制实现

3.1 写操作加锁机制

所有修改操作前必须获取独占锁：

final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
    // 修改操作
} finally {
    lock.unlock();
}

保证同一时刻只有一个线程执行修改操作

3.2 原子引用更新

volatile修饰的array引用保证：

写线程修改数组引用后，读线程立即可见
配合Unsafe.putObjectVolatile实现原子引用更新
避免指令重排序导致的可见性问题

四、关键方法源码解析

4.1 add方法实现

public boolean add(E e) {
    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();
    }
}
}

4.2 remove方法实现

public E remove(int index) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = elementAt(elements, index);
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0)
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
else {
Object[] newElements = new Object[len - 1];
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved);
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
lock.unlock();
}
}

五、迭代器实现特点

5.1 快照迭代器

迭代器持有创建时的数组快照：

public Iterator<E> iterator() {
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}

写操作不会影响已创建的迭代器，但可能导致迭代器数据过时

六、性能对比测试

操作类型	时间复杂度	线程安全
读操作	O(1)	无锁访问
写操作	O(n)	完全同步

七、最佳实践建议

集合大小保持较小（建议不超过1KB）
写操作完成后及时释放资源
配合版本号实现数据最终一致性检查
避免在循环中执行批量写操作

示例用法：

CopyOnWriteArrayList<String> configList = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 写操作
configList.add("new_config"); 
// 读操作
for(String config : configList) {
    processConfig(config);
}