CopyOnWriteArrayList是如何保证线程安全的？

一：前言

在我们需要保证线程安全的时候，如果使用到Map，那么我们可以使用线程安全的ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap不仅可以保证线程安全，而且效率也非常不错，那有没有线程安全的List呢？答案是有，那就是CopyOnWriteArrayList。今天我们就一起来了解一下CopyOnWriteArrayList，看它是如何巧妙的保证线程安全的吧。

二：成员变量分析

    //进行修改操作时的锁
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 
    //真正保存数据的数组 用volatile关键字进行修饰，保证array的引用的可见性
    private transient volatile Object[] array;
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三：源码分析

首先我们看构造方法，CopyOnWriteArrayList有三个构造方法。

1.空参构造

调用setArray方法将成员变量array赋值为一个长度为0的数组。

public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }
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final void setArray(Object[] a) {
        array = a;
    }
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2.传入一个Collection对象的构造方法

首先判断Collection是否是一个CopyOnWriteArrayList，如果是，直接将传入的CopyOnWriteArrayList的elements重新赋值给需要创建的CopyOnWriteArrayList。 如果不是，判断Collection是否是ArrayList，如果是，那么就利用toArray()方法将其转化为一个数组并赋值给成员变量array，否则将Collection里面的元素全部取出来copy到一个新数组中，并且将该数组赋值给成员变量array。

    public CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) {
        Object[] elements;
        if (c.getClass() == CopyOnWriteArrayList.class)
            elements = ((CopyOnWriteArrayList<?>)c).getArray();
        else {
            elements = c.toArray();
            if (c.getClass() != ArrayList.class)
                elements = Arrays.copyOf(elements, elements.length, Object[].class);
        }
        setArray(elements);
    }
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3.传入一个数组的构造方法

将传入的数组的元素copy到一个新的Object数组，并且赋值给成员变量array。

    public CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) {
        setArray(Arrays.copyOf(toCopyIn, toCopyIn.length, Object[].class));
    }
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接下来我们看核心的add(),remove(),get()方法。

add(E e)

首先加锁，然后通过Arrays.copyOf()方法将元素copy到一个新的数组中，新的数组的长度为原数组的长度+1，并且将需要加入的元素赋值到新数组的最后。最后将新数组赋值给成员变量array。

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();
        }
    }
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add(int index, E element)

add(int index, E element)方法需要将元素加入到指定的索引位置中。首先也是先加锁，保证线程安全，将原数组分为两段进行操作，根据index进行分隔，分别copy index之前的元素和之后的元素，copy完成之后在将需要插入的元素设置到索引为index的位置上。之后将新数组赋值给成员变量array。

public void add(int index, E element) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            if (index > len || index < 0)
                throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                    ", Size: "+len);
            Object[] newElements;
            int numMoved = len - index;
            if (numMoved == 0)
                newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
            else {
                newElements = new Object[len + 1];
                System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
                System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                                 numMoved);
            }
            newElements[index] = element;
            setArray(newElements);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
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接下来看remove()方法。

remove(int index)

remove(int index)方法需要在数组中移除指定索引的值。首先是加锁，同样也是将原数组分为两段进行操作，根据index进行分隔，分别copy index之前的元素和之后的元素，copy到一个新数组中，新数组的长度为原数组的长度减一（注意这里是没有copy index索引位置的值的，所以相当于移除了index索引上的值）。之后将新数组赋值给成员变量array。

    public E remove(int index) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            Object[] elements = getArray();
            int len = elements.length;
            E oldValue = get(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();
        }
    }
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接下来看get()方法

get()

我们可以看到get()方法很简单，就是从array成员变量中取出对应索引的值。并没有加锁处理。所以尽管是在并发高的情况下，get()方法的效率依旧是比较高的。

    /**
     * {@inheritDoc}
     *
     * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     */
    public E get(int index) {
        return get(getArray(), index);
    }
    
    private E get(Object[] a, int index) {
        return (E) a[index];
    }
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四：总结

CopyOnWriteArrayList为什么能够保证线程安全，主要是因为以下几点：

1.在做修改操作的时候加锁

2.每次修改都是将元素copy到一个新的数组中，并且将数组赋值到成员变量array中。

3.利用volatile关键字修饰成员变量array，这样就可以保证array的引用的可见性，每次修改之前都能够拿到最新的array引用。这点很关键。

看到这里，相信你已经对CopyOnWriteArrayList非常了解了，CopyOnWriteArrayList在查询多，修改操作少的情况下效率是非常可观的，既能够保证线程安全，又能有不错的效率。但是如果修改操作较多，就会导致数组频繁的copy，效率就会有所下降，如果修改操作很多，那么直接使用Collections.synchronizedList(),或许也是一个不错的选择。