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因为不知道Java的CopyOnWriteArrayList,面试官让我回去等通知

程序员文章站 2022-08-13 23:34:22
吊打面试官...

先看再点赞,给自己一点思考的时间,微信搜索【沉默王二】关注这个靠才华苟且的程序员。
本文 GitHub github.com/itwanger 已收录,里面还有一线大厂整理的面试题,以及我的系列文章。

hello,同学们,大家好,我是沉默王二,在我为数不多的面试经历中,有一位姓马的面试官令我印象深刻,九年过去了,我还能记得他为数不多的发量。

老马:“兄弟,ArrayList 是线程安全的吗?”
王二:“不是啊。”
老马:“那有没有线程安全的 List?”
王二:“有啊,Vector。”
老马:“还有别的吗?”
王二:“Vector 不就够用了吗?”
老马看了一下左手腕上的表,说道:“今天差不多就到这里吧,你回去等通知。”

(不是,我特么不是刚进来,就回答了三个问题而已,就到这了?)

现在回想起来当时一脸懵逼的样子,脸上情不自禁地泛起了红晕,老马的意思是让我说说 Java 的 CopyOnWriteArrayList,可惜我当时几乎没怎么用过这个类,也不知道它就是个线程安全的 List,惭愧啊惭愧。

(地上有坑吗?我想跳进去。)

真正的勇士敢于直面过去的惨淡,经过这么多年的努力,我的技术功底已经大有长进了,是时候输出一波伤害了。希望这篇文章能够给不太了解 CopyOnWriteArrayList 的同学一点点帮助,到时候给面试官一个好看。

注:我用的是 OpenJDK 14。

01、Vector

Vector 的源码文档上直截了当地说了,“如果不需要线程安全,推荐使用 ArrayList 替代 Vector。”说实话,在我十多年的编程生涯中,的确很少使用 Vector,因为它的线程安全是建立在每个方法上都加了 synchronized 关键字的基础上,锁的粒度很高,意味着性能就不咋滴。

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    add(e, elementData, elementCount);
    return true;
}

public synchronized E remove(int index) {
    modCount++;
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
    E oldValue = elementData(index);

    int numMoved = elementCount - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                numMoved);
    elementData[--elementCount] = null; // Let gc do its work

    return oldValue;
}

就连 size() 这样的方法上都加了 synchronized,可想而知,Vector 有多铺张浪费,有多锦衣玉食。

如果对 synchronized 关键字不太了解的话,可以点击下面的链接查看我之前写的一篇文章。

我去,你竟然还不会用 synchronized

高并发的情况下,一般都要求性能要给力,Vector 显然不够格,所以被遗忘在角落也是“罪有应得”啊。

02、SynchronizedList

那有些同学可能会说,可以使用 Collections.synchronizedList() 让 ArrayList 变成线程安全啊。

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
    return (list instanceof RandomAccess ?
            new Collections.SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
            new Collections.SynchronizedList<>(list));
}

无论是 SynchronizedRandomAccessList 还是 SynchronizedList,它们都没有在方法级别上使用 synchronized 关键字,而是在方法体内使用了 synchronized(this) 块。

public void add(int index, E element) {
    synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
    synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}

其中 mutex 为 this 关键字,也就是当前对象。

final Object mutex;     // Object on which to synchronize

SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
    this.c = Objects.requireNonNull(c);
    mutex = this;
}

03、ConcurrentModificationException

ConcurrentModificationException 这个异常不知道同学们有没有遇到过?我先来敲段代码让它发生一次,让同学们认识一下。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");

for (String str : list) {
    if ("沉默王二".equals(str)) {
        list.remove(str);
    }
}

System.out.println(list);

运行这段代码就会抛出 ConcurrentModificationException:

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
	at java.base/java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:1012)
	at java.base/java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:966)

通过异常的堆栈信息可以查找到,异常发生在 ArrayList 的内部类 Itr 的 checkForComodification() 方法中。

final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
}

也就是说,在执行 checkForComodification() 方法的时候,发现 modCount 和 expectedModCount 不等,就抛出了 ConcurrentModificationException 异常。

为什么会这样呢?之前的代码也没有调用 checkForComodification() 方法啊!

那就只能来看一下反编译后的字节码了,原来 for-each 这个语法糖是通过 Iterator 实现的。

List<String> list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
Iterator var3 = list.iterator();

while (var3.hasNext()) {
	String str = (String) var3.next();
	if ("沉默王二".equals(str)) {
		list.remove(str);
	}
}

System.out.println(list);

在执行 list.iterator() 的时候,其实返回的就是 ArrayList 的内部类 Itr。

public Iterator<E> iterator() {
    return new ArrayList.Itr();
}

迭代器 Iterator 是 fail-fast 的,如果以任何方式(包括 remove 和
add)对迭代器进行修改的话,就会抛出 ConcurrentModificationException。

迭代器在执行 remove() 方法的时候,会对 modCount 加 1。remove() 方法内部会调用 fastRemove() 方法。

private void fastRemove(Object[] es, int i) {
    modCount++;
    final int newSize;
    if ((newSize = size - 1) > i)
        System.arraycopy(es, i + 1, es, i, newSize - i);
    es[size = newSize] = null;
}

当在进行下一次 next() 会执行 checkForComodification() 方法,结果发现 modCount 为 4,而 expectedModCount 为 3,于是就抛出了异常。

因为不知道Java的CopyOnWriteArrayList,面试官让我回去等通知

之所以在单线程的情况下就抛出 ConcurrentModificationException,就是为了在多线程并发的情况下,不冒任何的危险,提前规避掉其他线程对 List 修改的可能性。

ArrayList 返回的迭代器是 fail-fast 的,Vector 的也是,SynchronizedList 的也是。这就意味着它们在多线程环境下通过 for-each 遍历进行增删操作的时候会出问题。

04、CopyOnWriteArrayList

瞧,为了引出 CopyOnWriteArrayList,我花了多少心思。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");

for (String str : list) {
    if ("沉默王二".equals(str)) {
        list.remove(str);
    }
}

System.out.println(list);

把 ArrayList 换成 CopyOnWriteArrayList,程序就能够正常执行了,输出结果如下所示。

[沉默王三, 一个文章真特么有趣的程序员]

之所以不抛出 ConcurrentModificationException 异常,是因为 CopyOnWriteArrayList 是 fail-safe 的,迭代器遍历的是原有的数组,remove 的时候 remove 的是复制后的新数组,然后再将新数组赋值给原有的数组。

不过,任何在获取迭代器之后对 CopyOnWriteArrayList 的修改将不会及时反映迭代器里。

CopyOnWriteArrayList<String> list1 =
        new CopyOnWriteArrayList<>(new String[] {"沉默王二", "沉默王三"});
Iterator itr = list1.iterator();
list1.add("沉默王四");
while(itr.hasNext()) {
    System.out.print(itr.next() + " ");
}

沉默王四并不会出现在输出结果中。

沉默王二 沉默王三 

ArrayList 的迭代器 Itr 是支持 remove 的。

List<String> list = new ArrayList();
list.add("沉默王二");
list.add("沉默王三");
list.add("一个文章真特么有趣的程序员");
Iterator var3 = list.iterator();

while (var3.hasNext()) {
    String str = (String) var3.next();
    if ("沉默王二".equals(str)) {
        var3.remove();
    }
}

System.out.println(list);

程序输出的结果如下所示:

[沉默王三, 一个文章真特么有趣的程序员]

而 CopyOnWriteArrayList 的迭代器 COWIterator 是不支持 remove 的。

public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

因为不知道Java的CopyOnWriteArrayList,面试官让我回去等通知

CopyOnWriteArrayList 实现了 List 接口,不过,它不在 java.util 包下,而在 java.util.concurrent 包下,算作是 ArrayList 的增强版,线程安全的。

顾名思义,CopyOnWriteArrayList 在进行写操作(add、set、remove)的时候会先进行拷贝,底层是通过数组复制来实现的。

Java 8 的时候,CopyOnWriteArrayList 的增删改操作方法使用的是 ReentrantLock(可重入锁,一个线程获得了锁之后仍然可以反复的加锁,不会出现自己阻塞自己的情况)。

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();
    }
}

Java 14 的时候,已经改成 synchronized 块了。

public boolean add(E e) {
    synchronized (lock) {
        Object[] es = getArray();
        int len = es.length;
        es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
        es[len] = e;
        setArray(es);
        return true;
    }
}

其中的 lock 是一个 Object 对象(注释上说和 ReentrantLock 有一点关系)。

/**
 * The lock protecting all mutators.  (We have a mild preference
 * for builtin monitors over ReentrantLock when either will do.)
 */
final transient Object lock = new Object();

使用 ReentrantLock 性能更好,还是 synchronized 块性能更好,同学们可以试验一下。不过,从另外一些细节上看,Java 14 的写法比 Java 8 更简洁一些,其中就少了一个 newElements 变量的创建。

再来看 set() 方法:

public E set(int index, E element) {
    synchronized (lock) {
        Object[] es = getArray();
        E oldValue = elementAt(es, index);

        if (oldValue != element) {
            es = es.clone();
            es[index] = element;
        }
        // Ensure volatile write semantics even when oldvalue == element
        setArray(es);
        return oldValue;
    }
}

同样使用了 synchronized 块,并且调用了封装好的 clone() 方法进行了复制。

然后来看 remove() 方法:

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

synchronized 块是必须的,数组复制(System.arraycopy())也是必须的。

和 Vector 不同的是,CopyOnWriteArrayList 的 get()size() 方法不再加锁。

public int size() {
    return getArray().length;
}

public E get(int index) {
    return elementAt(getArray(), index);
}

简单总结一下就是:第一,CopyOnWriteArrayList 在修改时,复制出一个新数组,修改的操作在新数组中完成,最后将新数组赋值给原有的数组引用。第二,CopyOnWriteArrayList 的写加锁,读不加锁。

CopyOnWriteArrayList 有很多优势,但数组复制是沉重的,如果写的操作比较多,而读的操作比较少,内存就会被占用得比较多;另外,CopyOnWriteArrayList 无法保证数据是实时同步的,因为读写操作是分离的,写的操作都建立在复制的新数组上,而读的是原有的数组。

05、最后

如果九年前,我就看到了这样一篇文章,一定就不会被老马刁难呢,保不准还能再拖延半个小时,让他多问二十个问题。但我想同学们一定是比我幸运的,至少现在看到了,不晚,对不对?


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注:如果文章有任何问题,欢迎毫不留情地指正。

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