面试题：Java并发集合类的线程安全机制

Question

以CopyOnWriteArrayList为例，详细说明Java并发集合类是如何实现线程安全的，包括读写操作的具体实现方式，以及这种实现方式对性能和内存的影响。

Answer 1

1. CopyOnWriteArrayList线程安全实现原理

CopyOnWriteArrayList通过“写时复制”机制实现线程安全。当进行写操作（如add、remove等）时，会创建底层数组的一个副本，在副本上进行修改，完成后再将原数组引用指向新的副本。而读操作（如get等）则直接读取原数组，不进行加锁操作。

2. 读写操作具体实现方式

• 写操作：
  • 以add(E e)方法为例，其实现如下：

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();
    }
}

- 首先获取锁，保证同一时间只有一个线程能进行写操作。然后复制原数组，在新数组末尾添加元素，最后更新数组引用。

• 读操作：
  • 以get(int index)方法为例：

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

- 直接从数组中获取元素，没有加锁操作。

3. 对性能和内存的影响

• 性能：
  • 读性能：读操作性能高，因为无需加锁，适合读多写少的场景。多个线程可以并发进行读操作，不会发生竞争。
  • 写性能：写操作性能相对较低，因为每次写操作都要复制数组，这涉及内存分配和数据复制，开销较大。同时，写操作时会加锁，限制了写操作的并发度。
• 内存：
  • 由于写操作需要复制数组，在写操作频繁时，会占用更多的内存空间。如果数组元素较多，每次复制产生的新数组会导致内存使用量显著增加。在写操作完成前，新旧数组同时存在于内存中，可能会引发内存压力甚至内存溢出问题。