CopyOnWriteArrayList如何实现线程安全？

CopyOnWriteArrayList 是 Java 中一个线程安全的 ArrayList 变体，它通过一种叫做“写时复制”（Copy-on-Write）的策略来实现线程安全。这种策略适用于读多写少的并发场景，因为每次修改操作都会导致整个底层数组的复制。下面是具体的实现方式和原理：

写时复制策略

基本原理：

• 每当我们需要修改 CopyOnWriteArrayList 中的内容（如添加、删除、设置元素等），CopyOnWriteArrayList 都不会直接在当前数组上进行修改。
• 相反，它会先将当前数组完整地复制一份，然后在这个新的数组副本上进行修改。
• 修改完成后，它会将内部的引用从旧数组更新到新修改过的数组。
• 因此，任何遍历操作都不会受到修改的影响，因为它们只是访问旧数组的引用，直到引用被更新。

线程安全：

• 这种写时复制机制确保了读取操作（如 get、iterator、listIterator 等）可以在不需要同步的情况下安全地执行，因为这些读取操作只访问不变的数组。
• 由于每次修改都涉及到完整数组的复制，写操作和读操作之间不会有冲突。
• 修改操作本身通过内部的 ReentrantLock （可重入锁）来保护，确保每次只有一个线程能执行写操作，从而保持操作的原子性。

示例

假设我们有一个 CopyOnWriteArrayList，初始内容为 [1, 2, 3]。如果一个线程尝试添加元素 4 ，而另一个线程同时迭代列表，情况如下：

1. 添加元素：

   • 线程 A 调用 add(4)。
   • CopyOnWriteArrayList 锁定，复制当前数组 [1, 2, 3]。
   • 在新数组 [1, 2, 3] 上添加 4，变为 [1, 2, 3, 4]。
   • 更新内部数组引用指向 [1, 2, 3, 4]。
   • 解锁。

2. 迭代元素：

   • 线程 B 同时开始迭代列表。
   • 由于写操作在复制的新数组上执行，迭代器仍然指向旧数组 [1, 2, 3]，因此迭代过程中看不到变化。
   • 迭代完成，得到元素 1, 2, 3。

总结

CopyOnWriteArrayList 通过为每个写操作创建底层数组的新副本来避免读写冲突，从而提供了一种高效的机制来处理多线程环境中的读多写少场景。这种方式虽然在写操作时性能和内存使用上有所牺牲，但在需要高并发读且写操作较少的情况下，它提供了极好的线程安全性和迭代性能。