CopyOnWriteArrayList – 顶峰相见

底层数据结构：CopyOnWriteArrayList 是基于动态数组的实现，其底层维护了一个 Object[] 数组。
写时复制：在写操作（如 add()、set()、remove() 等）时，会创建一个新数组，在新数组上进行操作，然后将新数组赋值给底层的数组引用。

2. `add()` 方法的实现逻辑

2.1 添加元素的步骤

步骤 1：复制当前数组：
- 在添加元素时，CopyOnWriteArrayList 会首先复制当前底层数组到一个新数组中。
步骤 2：在新数组上添加元素：
- 在新数组的最后一个位置添加新元素。
步骤 3：将新数组替换旧数组：
- 使用原子性操作，将新的数组替换旧的底层数组，使其指向新的内存空间。

代码示例

javaCopy codepublic boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock(); // 1. 获取锁
    try {
        Object[] elements = getArray(); // 2. 获取当前数组
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); // 3. 复制并扩容
        newElements[len] = e; // 4. 添加新元素
        setArray(newElements); // 5. 替换为新数组
        return true;
    } finally {
        lock.unlock(); // 6. 释放锁
    }
}

原理说明

获取锁：在执行写操作时，会通过 ReentrantLock 加锁，确保在添加新元素时不会有其他线程进行写入。
复制并扩容：CopyOnWriteArrayList 的写操作会复制整个数组，因此每次写操作的开销是线性 O(n) 的。
最终一致性：由于写时创建了一个新数组，因此在写操作完成前，其他线程的读取操作不会受到影响。

3. `get()` 方法的实现逻辑

3.1 读取元素的步骤

步骤 1：读取数组引用：
- 在 get() 操作中，CopyOnWriteArrayList 会直接读取底层数组引用，获取当前快照数据。
步骤 2：返回元素：
- 根据索引直接从数组中返回元素。

代码示例

javaCopy codepublic E get(int index) {
    Object[] elements = getArray(); // 1. 获取当前数组
    return (E) elements[index]; // 2. 返回指定索引的元素
}

原理说明

无锁读取：get() 方法是无锁的，直接读取底层数组，因此性能非常高。
读取快照：由于读取的数组是写时复制产生的快照，即使写操作正在进行，读取操作也不会被阻塞，且能获取到一致的旧数据。

4. 扩容的实现逻辑

4.1 扩容时的处理

扩容在写操作时发生，例如在 add()、set() 或 remove() 操作中。CopyOnWriteArrayList 不会像 ArrayList 那样通过自动扩容实现容量增长，而是通过每次复制整个数组来扩容。

扩容和写入的详细步骤

锁定操作：写入和扩容需要获取锁，通过 ReentrantLock 实现独占锁定。
复制和扩容：写入或扩容操作时，会创建一个比当前数组更大的新数组，将现有元素复制到新数组中。
插入新元素：在新数组中执行插入或更新操作。
替换旧数组：将新数组设置为底层数组。

5. 在读取时的影响

读取操作是否会受到扩容影响？

不会受到扩容影响：由于 CopyOnWriteArrayList 在写入时总是复制整个数组，且复制完成后才会将新数组替换为当前数组，读取操作始终访问的是旧数组快照数据，因此不会读取到扩容过程中的中间状态。
可能读到旧数据：在写操作进行时，读取操作仍然会获取到写操作前的旧数据，写操作完成后，新的读取操作才能看到最新数据。

6. 多线程下的写时复制机制

CopyOnWriteArrayList 通过“写时复制”来确保线程安全。当多个线程同时进行写操作时，由于写操作需要获取锁，因此写入是互斥的。
读取操作是无锁的，读取线程只会读取到旧的快照数据，这种设计确保了读取的高效性和一致性。

7. 性能分析和适用场景

性能分析

读操作效率高：get() 方法是无锁的，直接访问底层数组，因此读操作效率非常高。
写操作性能较低：由于每次写操作都需要复制整个数组，因此写操作的时间复杂度是 O(n)，在写操作频繁时性能较低。
内存消耗高：由于每次写操作都会创建一个新数组，因此在写操作频繁时，会消耗较多的内存。

适用场景

适用于读多写少的场景，如事件监听器列表、配置快照、缓存快照等。
不适用于写操作频繁的场景，因为大量的写操作会导致性能瓶颈和内存消耗。

8. 总结

CopyOnWriteArrayList 在扩容或写入时，通过写时复制机制保证了线程安全，但读取操作只能获取到旧的快照数据。
读取操作不会被扩容和写入操作阻塞，但无法读取到最新的数据，直到写操作完成。
适合读多写少的场景，在写操作频繁的情况下可能引发性能瓶颈。