面试题：Java多线程集合类CopyOnWriteArrayList的性能分析

Question

阐述CopyOnWriteArrayList在多线程环境下的读写机制。在高并发读、高并发写以及读写混合的场景下，它的性能表现如何？与其他线程安全的集合类（如ConcurrentLinkedQueue）相比，有哪些优势和劣势？

Answer 1

CopyOnWriteArrayList读写机制

1. 读操作：
   • CopyOnWriteArrayList的读操作（如get(int index)）不会加锁。因为在读取时，直接访问内部数组，而不需要担心数组被修改，因为写操作是在新的数组上进行的。所以读操作是线程安全的，并且性能较高，因为不需要获取锁，避免了锁竞争带来的开销。
2. 写操作：
   • 写操作（如add(E e)）会加锁。当执行写操作时，先获取锁，然后复制当前数组到一个新数组，在新数组上进行修改操作，最后将内部数组引用指向新数组。例如，当执行add方法时，先复制原数组，在新数组的末尾添加元素，然后将array引用指向新的数组。这种方式保证了写操作的线程安全，但由于每次写操作都要复制数组，开销较大。

不同场景下性能表现

1. 高并发读场景：
   • 性能非常好。因为读操作无锁，多个线程可以同时进行读操作，不存在锁竞争，能充分利用多核CPU的优势，提升并发性能。
2. 高并发写场景：
   • 性能较差。每次写操作都要复制数组，这涉及内存分配和数据复制，开销巨大。而且由于加锁机制，在高并发写时，锁竞争会导致线程阻塞，大大降低性能。
3. 读写混合场景：
   • 如果读操作远多于写操作，性能相对较好。读操作不受写操作影响，仍能高效执行；但写操作时，读操作虽能继续，但写操作开销大，整体性能受写操作影响。如果写操作较多，性能会明显下降，因为写操作的高开销和锁竞争会影响整体效率。

与ConcurrentLinkedQueue比较

1. 优势：
   • 适合读多写少场景：CopyOnWriteArrayList在高并发读场景下性能优于ConcurrentLinkedQueue，因为读操作无锁，而ConcurrentLinkedQueue的读操作虽然也是无锁的，但由于链表结构的遍历开销，在大量读操作时性能不如CopyOnWriteArrayList。
   • 数据一致性：CopyOnWriteArrayList能保证读操作的数据一致性，即读操作不会读取到部分修改的数据。因为读操作基于旧数组，写操作完成后才切换新数组。
2. 劣势：
   • 写操作性能：在高并发写场景下，ConcurrentLinkedQueue性能优于CopyOnWriteArrayList。ConcurrentLinkedQueue采用无锁算法（基于CAS操作），写操作不需要复制数据，而CopyOnWriteArrayList每次写都要复制数组，开销大。
   • 内存开销：CopyOnWriteArrayList内存开销较大，因为写操作复制数组会导致短时间内有两份数组存在（旧数组和新数组）。而ConcurrentLinkedQueue基于链表结构，内存开销相对较小，且不需要像CopyOnWriteArrayList那样复制数据。