Collections.synchronizedList 、CopyOnWriteArrayList、Vector介绍、源码浅析与性能对比【文末福利】

Nauyus
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ArrayList线程安全问题

众所周知，ArrayList不是线程安全的，在并发场景使用ArrayList可能会导致add内容为null,迭代时并发修改list内容抛ConcurrentModificationException异常等问题。java类库里面提供了以下三个轮子可以实现线程安全的List，它们是

  • Vector
  • Collections.synchronizedList
  • CopyOnWriteArrayList

本文简要的分析了下它们线程安全的实现机制并对它们的读，写，迭代性能进行了对比。

Vector

从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，底层采用数组实现。其线程安全的实现方式非常粗暴：Vector大部分方法和ArrayList都是相同的，只是加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了。JAVA官方文档中这样描述：

If a thread-safe implementation is not needed, it is recommended to use ArrayList in place of Vector.

如果不需要线程安全性，推荐使用ArrayList替代Vector

关键源码如下：

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

可以看到Vector通过在方法级别上加入了synchronized关键字实现线程安全性。

Collections.synchronizedList

因为ArrayList不是线程安全的，JDK提供了一个Collections.synchronizedList静态方法将一个非线程安全的List(并不仅限ArrayList)包装为线程安全的List。使用方式如下：

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());

根据文档，转换包装后的list可以实现add，remove，get等操作的线程安全性，但是对于迭代操作，Collections.synchronizedList并没有提供相关机制，所以迭代时需要对包装后的list（敲黑板，必须对包装后的list进行加锁，锁其他的不行）进行手动加锁，使用方式如下：

List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
//必须对list进行加锁
synchronized (list) {
  Iterator i = list.iterator();
  while (i.hasNext())
      foo(i.next());
}

这个地方要注意两个地方：

  1. 迭代操作必须加锁，可以使用synchronized关键字修饰;
  2. synchronized持有的监视器对象必须是synchronized (list),即包装后的list,使用其他对象如synchronized (new Object())会使add,remove等方法与迭代方法使用的锁不一致，无法实现完全的线程安全性。

通过源码可知Collections.synchronizedList生成了特定同步的SynchronizedCollection，生成的集合每个同步操作都是持有mutex这个锁，所以再进行操作时就是线程安全的集合了。关键地方已经加了注释：

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
    return (list instanceof RandomAccess ?
            //ArrayList使用了SynchronizedRandomAccessList类
            new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
            new SynchronizedList<>(list));
}
//SynchronizedRandomAccessList继承自SynchronizedList
static class SynchronizedRandomAccessList<E> extends SynchronizedList<E> implements RandomAccess {
}

//SynchronizedList对代码块进行了synchronized修饰来实现线程安全性
static class SynchronizedList<E> extends SynchronizedCollection<E> implements List<E> {
public E get(int index) {
    synchronized (mutex) {return list.get(index);}
    }
    public E set(int index, E element) {
        synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
    }
    public void add(int index, E element) {
        synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
    }
    public E remove(int index) {
        synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
    }   
    
    //迭代操作并未加锁，所以需要手动同步
    public ListIterator<E> listIterator() {
            return list.listIterator(); 
    }
}

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是java.util.concurrent包下面的一个实现线程安全的List,顾名思义， Copy~On~Write~ArrayList在进行写操作(add,remove,set等)时会进行Copy操作，可以推测出在进行写操作时CopyOnWriteArrayList性能应该不会很高。

先看一下 CopyOnWriteArrayList 的结构：

public class CopyOnWriteArrayList<E>
    implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;

    /** The lock protecting all mutators */
    final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
    private transient volatile Object[] array;
    
    /**
     * Creates an empty list.
     */
    public CopyOnWriteArrayList() {
        setArray(new Object[0]);
    }
}

可以看到CopyOnWriteArrayList底层实现为Object[] array数组。

添加元素：

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();
    }
}

可以看到每次添加元素时都会进行Arrays.copyOf操作，代价非常昂贵。

读的时候是不需要加锁的，直接获取。删除和增加是需要加锁的。

有两点必须讲一下。我认为CopyOnWriteArrayList这个并发组件，其实反映的是两个十分重要的分布式理念：

（1）读写分离

我们读取CopyOnWriteArrayList的时候读取的是CopyOnWriteArrayList中的Object[] array，但是修改的时候，操作的是一个新的Object[] array，读和写操作的不是同一个对象，这就是读写分离。这种技术数据库用的非常多，在高并发下为了缓解数据库的压力，即使做了缓存也要对数据库做读写分离，读的时候使用读库，写的时候使用写库，然后读库、写库之间进行一定的同步，这样就避免同一个库上读、写的IO操作太多。

（2）最终一致

对CopyOnWriteArrayList来说，线程1读取集合里面的数据，未必是最新的数据。因为线程2、线程3、线程4四个线程都修改了CopyOnWriteArrayList里面的数据，但是线程1拿到的还是最老的那个Object[] array，新添加进去的数据并没有，所以线程1读取的内容未必准确。不过这些数据虽然对于线程1是不一致的，但是对于之后的线程一定是一致的，它们拿到的Object[] array一定是三个线程都操作完毕之后的Object array[]，这就是最终一致。最终一致对于分布式系统也非常重要，它通过容忍一定时间的数据不一致，提升整个分布式系统的可用性与分区容错性。当然，最终一致并不是任何场景都适用的，像火车站售票这种系统用户对于数据的实时性要求非常非常高，就必须做成强一致性的。

性能对比

通过前面的分析可知

  • Vector对所有操作进行了synchronized关键字修饰，性能应该比较差
  • CopyOnWriteArrayList在写操作时需要进行copy操作，读性能较好，写性能较差
  • Collections.synchronizedList性能较均衡，但是迭代操作并未加锁，所以需要时需要额外注意

下面写了个测试程序对三者的读，写，遍历进程了测试来验证下，测试机器信息如下：

操作系统:macOS High Sierra 10.13.6
CPU:2.8 GHz Intel Core i7
内存：16 GB 2133 MHz LPDDR3

测试代码：

**
 * 比较Vector，Collections.synchronizedList，CopyOnWriteArrayList读操作，写操作，遍历操作性能
 *
 * @author nauyus
 * @date 2020年01月29日
 */
public class ListPerformanceTest {

    /**
     * 并发数
     */
    public final static int THREAD_COUNT = 64;
    /**
     * list大小
     */
    public final static int SIZE = 10000;

    /**
     * 测试读性能
     *
     * @throws Exception
     */
    @Test
    public void testGet() throws Exception {
        List<Integer> list = initList();
        List<Integer> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>(list);
        List<Integer> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);
        Vector vector = new Vector(list);

        int copyOnWriteArrayListTime = 0;
        int synchronizedListTime = 0;
        int vectorTime = 0;
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            copyOnWriteArrayListTime += executor.submit(new GetTestTask(copyOnWriteArrayList, countDownLatch)).get();
        }
        System.out.println("CopyOnWriteArrayList get method cost time is " + copyOnWriteArrayListTime);

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            synchronizedListTime += executor.submit(new GetTestTask(synchronizedList, countDownLatch)).get();
        }
        System.out.println("Collections.synchronizedList get method cost time is " + synchronizedListTime);

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            vectorTime += executor.submit(new GetTestTask(vector, countDownLatch)).get();
        }
        System.out.println("vector get method cost time is " + vectorTime);
    }

    private List<Integer> initList() {
        List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
            list.add(new Random().nextInt(1000));
        }
        return list;
    }
    
    class GetTestTask implements Callable<Integer> {
    List<Integer> list;
    CountDownLatch countDownLatch;

        GetTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {
            this.list = list;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }

        @Override
        public Integer call() {
            int pos = new Random().nextInt(SIZE);
            long start = System.currentTimeMillis();
            for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
                list.get(pos);
            }
            long end = System.currentTimeMillis();
            countDownLatch.countDown();
            return (int) (end - start);
        }
    }

完整版代码可以点击阅读原文或公众号内回复文章编号010获取

测试结果：

可以看到随着线程数的增加，三个类操作时间都有所增加，Vector的遍历操作和CopyOnWriteArrayList的写操作（图片中标红的部分）性能消耗尤其严重。出乎意料的是Vector的读写操作和Collections.synchronizedList比起来并没有什么差别（印象中Vector性能很差，实际性能差的只是遍历操作，看来还是纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行啊），仔细分析了下代码，虽然Vector使用synchronized修饰方法，Collections.synchronizedList使用synchronized修饰语句块，但实际锁住内容并没有什么区别，性能相似也在情理之中。

总结

  1. CopyOnWriteArrayList的写操作与Vector的遍历操作性能消耗尤其严重，不推荐使用。

  2. CopyOnWriteArrayList适用于读操作远远多于写操作的场景。

  3. Vector读写性能可以和Collections.synchronizedList比肩，但Collections.synchronizedList不仅可以包装ArrayList,也可以包装其他List,扩展性和兼容性更好。

参考资料：

Java集合：CopyOnWriteArrayList与SynchronizedList

SynchronizedList和Vector的区别

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