一. concurrent包介绍
在JDK1.5之前，Java中要进行业务并发时，通常需要有程序员独立完成代码实现，而当针对高质量Java多线程并发程序设计时,为防止死蹦等现象的出现，比如使用java之前的wait()、notify()和synchronized等，每每需要考虑性能、死锁、公平性、资源管理以及如何避免线程安全性方面带来的危害等诸多因素，往往会采用一些较为复杂的安全策略，加重了程序员的开发负担。万幸的是，在JDK1.5出现之后，jdk中引入了重要的concurrent包，主要代码由大牛Doug Lea完成，其实是在jdk1.4时代，由于java语言内置对多线程编程的支持比较基础和有限，所以他写了这个，因为实在太过于优秀，所以被加入到jdk之中。java.util.concurrent, 提供了大量高级工具，可以帮助开发者编写高效、易维护、结构清晰的Java多线程程序。
本系列博客之前的部分介绍的线程池、ConcurrentHashMap 、Lock 等都是属于concurrent包中的内容，后面我们还会介绍concurrent包中一些比较重要的内容。
concurrent包的分类结构关系如下：
二. CopyOnWrite容器
Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。
CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。
三. CopyOnWriteArrayList的实现原理
在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向ArrayList里添加元素，可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。
1 public boolean add(T e) { 2 final ReentrantLock lock = this.lock; 3 lock.lock(); 4 try { 5 Object[] elements = getArray(); 6 int len = elements.length; 7 // 复制出新数组 8 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); 9 // 把新元素添加到新数组里 10 newElements[len] = e; 11 // 把原数组引用指向新数组 12 setArray(newElements); 13 return true; 14 } finally { 15 lock.unlock(); 16 } 17 } 18 19 final void setArray(Object[] a) { 20 array = a; 21 }
读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向ArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的ArrayList。
1 public E get(int index) { 2 return get(getArray(), index); 3 }
JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：
1 import java.util.Collection; 2 import java.util.Map; 3 import java.util.Set; 4 5 public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable { 6 private volatile Map<K, V> internalMap; 7 8 public CopyOnWriteMap() { 9 internalMap = new HashMap<K, V>(); 10 } 11 12 public V put(K key, V value) { 13 14 synchronized (this) { 15 Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); 16 V val = newMap.put(key, value); 17 internalMap = newMap; 18 return val; 19 } 20 } 21 22 public V get(Object key) { 23 return internalMap.get(key); 24 } 25 26 public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) { 27 synchronized (this) { 28 Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); 29 newMap.putAll(newData); 30 internalMap = newMap; 31 } 32 } 33 }
只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器。
四. CopyOnWrite的应用场景及例子
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景。
假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：
1 package com.ifeve.book; 2 3 import java.util.Map; 4 import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap; 5 6 /** 7 * 黑名单服务 8 */ 9 public class BlackListServiceImpl { 10 11 private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>( 12 1000); 13 14 public static boolean isBlackList(String id) { 15 return blackListMap.get(id) == null ? false : true; 16 } 17 18 public static void addBlackList(String id) { 19 blackListMap.put(id, Boolean.TRUE); 20 } 21 /** 22 * 批量添加黑名单 23 * @param ids 24 */ 25 public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) { 26 blackListMap.putAll(ids); 27 } 28 29 }
代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：
- 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。
- 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。
五. CopyOnWrite的缺点
1.内存占用问题
因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。
针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。
2.数据一致性问题
CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。