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Java CopyOnWrite容器
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‎Java_Copy_On_Write/README.md‎

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###Java CopyOnWrite容器
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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。
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**什么是CopyOnWrite容器**
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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。
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**场景一：对于ArrayList，使用直接方式，一边遍历，一边删除，会报错**
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// 删除/修改元素
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for(String item : list){
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list.remove(item);
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}
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解决办法一：使用迭代器，一边遍历，一边删除，不会报错。
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// 删除/修改元素
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Iterator<String> it = list.iterator();
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while(it.hasNext()){
20+
String ele = it.next();
21+
it.remove();
22+
}
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解决办法二：使用CopyOnWriteArrayList，直接方式，一边遍历，一会删除，不会报错。
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for(String item : list){
27+
list.remove(item);
28+
}
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**【场景二】对于ArrayList，使用迭代器，一边遍历，一边add，会报错。**
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Iterator<String> it = list.iterator();
33+
while(it.hasNext()){
34+
String str = it.next();
35+
String tem = str + "...";
36+
list.add(tem);
37+
}
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解决办法一：改用CopyOnWriteArrayList，直接方式，一边遍历，一边add，不会报错。
40+
41+
for(String item : list){
42+
String tem = item + "...";
43+
list.add(tem);
44+
}
45+
46+
解决办法二：改用CopyOnWriteArrayList，一边遍历，一边add，不会报错。
47+
48+
Iterator<String> it = list.iterator();
49+
while(it.hasNext()){
50+
String str = it.next();
51+
String tem = str + "...";
52+
list.add(tem);
53+
}
54+
55+
**【场景三】对于CopyOnWriteArrayList，迭代器，不能remove。**
56+
57+
Iterator<String> it = list.iterator();
58+
while(it.hasNext()){
59+
String str = it.next();
60+
String tem = str + "...";
61+
it.remove();
62+
}
63+
64+
解决办法一：使用直接方式，一边遍历，一边add/remove()
65+
66+
for(String item : list){
67+
String tem = item + "...";
68+
list.remove(item);
69+
list.add(tem);
70+
}
71+
72+
**CopyOnWriteArrayList的实现原理**
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74+
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。
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76+
public boolean add(T e) {
77+
final ReentrantLock lock = this.lock;
78+
lock.lock();
79+
try {
80+
Object[] elements = getArray();
81+
int len = elements.length;
82+
// 复制出新数组
83+
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
84+
// 把新元素添加到新数组里
85+
newElements[len] = e;
86+
// 把原数组引用指向新数组
87+
setArray(newElements);
88+
return true;
89+
} finally {
90+
lock.unlock();
91+
}
92+
}
93+
94+
final void setArray(Object[] a) {
95+
array = a;
96+
}
97+
98+
final Object[] getArray() {
99+
return array;
100+
}
101+
102+
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。
103+
104+
public E get(int index) {
105+
return get(getArray(), index);
106+
}
107+
108+
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：
109+
import java.util.Collection;
110+
import java.util.Map;
111+
import java.util.Set;
112+
113+
public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
114+
115+
private volatile Map<K, V> internalMap;
116+
117+
public CopyOnWriteMap() {
118+
internalMap = new HashMap<K, V>();
119+
}
120+
121+
public V put(K key, V value) {
122+
123+
synchronized (this) {
124+
Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
125+
V val = newMap.put(key, value);
126+
internalMap = newMap;
127+
return val;
128+
}
129+
}
130+
131+
public V get(Object key) {
132+
return internalMap.get(key);
133+
}
134+
135+
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
136+
synchronized (this) {
137+
Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
138+
newMap.putAll(newData);
139+
internalMap = newMap;
140+
}
141+
}
142+
}
143+
144+
实现很简单，只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器，并且在不同的应用场景中使用。
145+
146+
**CopyOnWrite的应用场景**
147+
148+
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：
149+
150+
import java.util.Map;
151+
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
152+
/**
153+
* 黑名单服务
154+
*/
155+
public class BlackListServiceImpl {
156+
157+
private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
158+
1000);
159+
160+
public static boolean isBlackList(String id) {
161+
return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
162+
}
163+
164+
public static void addBlackList(String id) {
165+
blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
166+
}
167+
168+
/**
169+
* 批量添加黑名单
170+
*
171+
* @param ids
172+
*/
173+
public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
174+
blackListMap.putAll(ids);
175+
}
176+
}
177+
178+
代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：
179+
180+
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。
181+
182+
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。
183+
184+
**CopyOnWrite的缺点**
185+
186+
CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。
187+
188+
**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。
189+
190+
**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。
191+
192+
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。
193+

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