面试题：Java并发数据结构CopyOnWriteArrayList的适用场景及实现原理

Question

说明Java的CopyOnWriteArrayList适用于哪些并发场景，并且详细解释它是如何实现线程安全的，包括写操作和读操作的具体实现方式及对性能的影响。

Answer 1

适用并发场景

1. 读多写少场景：CopyOnWriteArrayList 非常适合读操作远多于写操作的并发场景。例如，在一些配置信息加载、日志记录等场景中，数据一旦初始化后很少发生变化，但会被大量线程频繁读取。

线程安全实现

1. 写操作实现：
   • 当执行写操作（如 add、remove 等方法）时，CopyOnWriteArrayList 会先创建一个原数组的副本。例如，add 方法实现如下：

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

   • 这里使用 synchronized 关键字进行同步，保证同一时间只有一个线程能进行写操作。然后创建原数组的副本，在副本上进行写操作，最后将原数组引用指向新的副本数组。
2. 读操作实现：
   • 读操作（如 get 方法）则直接读取当前数组，不需要加锁。例如 get 方法实现如下：

   public E get(int index) {
       return get(getArray(), index);
   }
   private E get(Object[] a, int index) {
       return (E) a[index];
   }
   

   • 因为读操作不涉及修改数组内容，所以不需要同步，多个线程可以并发读取。

对性能的影响

1. 写操作性能影响：写操作由于需要创建数组副本，开销较大。每次写操作都要进行数组复制，这涉及内存分配和数据复制，在写操作频繁的场景下，性能会受到明显影响。
2. 读操作性能影响：读操作性能较高，因为无需加锁，避免了锁竞争带来的开销，特别适合高并发读的场景。但是，由于读的是一个快照数据，如果写操作频繁，读的数据可能不是最新的，但在允许一定数据延迟的场景下可以接受。