Java并发(6):concurrent包中的Copy-On-Write容器

摘要:
例如,在使用Java之前,wait()、notify()和synchronized。在本系列博客的前一部分中描述的线程池、ConcurrentHashMap和Lock都是当前包的一部分。自JDK1.5以来,Java和包使用CopyOnWrite机制提供了两个并发容器。这样做的优点是我们可以同时读取CopyOnWrite容器。3锁定。lock();

一. concurrent包介绍

  在JDK1.5之前,Java中要进行业务并发时,通常需要有程序员独立完成代码实现,而当针对高质量Java多线程并发程序设计时,为防止死蹦等现象的出现,比如使用java之前的wait()、notify()和synchronized等,每每需要考虑性能、死锁、公平性、资源管理以及如何避免线程安全性方面带来的危害等诸多因素,往往会采用一些较为复杂的安全策略,加重了程序员的开发负担。万幸的是,在JDK1.5出现之后,jdk中引入了重要的concurrent包,主要代码由大牛Doug Lea完成,其实是在jdk1.4时代,由于java语言内置对多线程编程的支持比较基础和有限,所以他写了这个,因为实在太过于优秀,所以被加入到jdk之中。java.util.concurrent, 提供了大量高级工具,可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。

  本系列博客之前的部分介绍的线程池、ConcurrentHashMap 、Lock 等都是属于concurrent包中的内容,后面我们还会介绍concurrent包中一些比较重要的内容。

  concurrent包的分类结构关系如下:

Java并发(6):concurrent包中的Copy-On-Write容器第1张

二. CopyOnWrite容器

  Copy-On-Write简称COW,是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是,从一开始大家都在共享同一个内容,当某个人想要修改这个内容的时候,才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改,这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用,可以在非常多的并发场景中使用到。

  CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。

三. CopyOnWriteArrayList的实现原理

  在使用CopyOnWriteArrayList之前,我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向ArrayList里添加元素,可以发现在添加的时候是需要加锁的,否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

 1 public boolean add(T e) {
 2     final ReentrantLock lock = this.lock;
 3     lock.lock();
 4     try {
 5         Object[] elements = getArray();
 6         int len = elements.length;
 7         // 复制出新数组
 8         Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
 9         // 把新元素添加到新数组里
10         newElements[len] = e;
11         // 把原数组引用指向新数组
12         setArray(newElements);
13         return true;
14     } finally {
15         lock.unlock();
16     }
17 }
18 
19 final void setArray(Object[] a) {
20     array = a;
21 }

  读的时候不需要加锁,如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据,读还是会读到旧的数据,因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。

1 public E get(int index) {
2     return get(getArray(), index);
3 }

  JDK中并没有提供CopyOnWriteMap,我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个,基本代码如下:

 1 import java.util.Collection;
 2 import java.util.Map;
 3 import java.util.Set;
 4 
 5 public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
 6     private volatile Map<K, V> internalMap;
 7 
 8     public CopyOnWriteMap() {
 9         internalMap = new HashMap<K, V>();
10     }
11 
12     public V put(K key, V value) {
13 
14         synchronized (this) {
15             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
16             V val = newMap.put(key, value);
17             internalMap = newMap;
18             return val;
19         }
20     }
21 
22     public V get(Object key) {
23         return internalMap.get(key);
24     }
25 
26     public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
27         synchronized (this) {
28             Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
29             newMap.putAll(newData);
30             internalMap = newMap;
31         }
32     }
33 }

  只要了解了CopyOnWrite机制,我们可以实现各种CopyOnWrite容器。

四. CopyOnWrite的应用场景及例子

  CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单,黑名单,商品类目的访问和更新场景。

  假如我们有一个搜索网站,用户在这个网站的搜索框中,输入关键字搜索内容,但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中,黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时,会检查当前关键字在不在黑名单当中,如果在,则提示不能搜索。实现代码如下:

 1 package com.ifeve.book;
 2 
 3 import java.util.Map;
 4 import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
 5 
 6 /**
 7  * 黑名单服务
 8  */
 9 public class BlackListServiceImpl {
10 
11     private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
12             1000);
13 
14     public static boolean isBlackList(String id) {
15         return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
16     }
17 
18     public static void addBlackList(String id) {
19         blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
20     }
21     /**
22      * 批量添加黑名单
23      * @param ids
24      */
25     public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
26         blackListMap.putAll(ids);
27     }
28 
29 }

  代码很简单,但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情:

  1. 减少扩容开销。根据实际需要,初始化CopyOnWriteMap的大小,避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。
  2. 使用批量添加。因为每次添加,容器每次都会进行复制,所以减少添加次数,可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

五. CopyOnWrite的缺点

1.内存占用问题

  因为CopyOnWrite的写时复制机制,所以在进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,旧的对象和新写入的对象(注意:在复制的时候只是复制容器里的引用,只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里,而旧容器的对象还在使用,所以有两份对象内存)。如果这些对象占用的内存比较大,比如说200M左右,那么再写入100M数据进去,内存就会占用300M,那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象,造成了每晚15秒的Full GC,应用响应时间也随之变长。

针对内存占用问题,可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗,比如,如果元素全是10进制的数字,可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器,而使用其他的并发容器,如ConcurrentHashMap。

2.数据一致性问题

CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。

参考:http://ifeve.com/java-copy-on-write/

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