CopyOnWriteArrayList如何保证线程安全？

Question

我查看了OpenJDK源代码的CopyOnWriteArrayList，发现所有写操作都受到相同锁的保护，而读操作却没有任何保护。据我所知，在JMM中，对变量（读和写）的所有访问都应该受到锁的保护，否则可能出现重排序效应。

例如，set(int, E)方法包含以下行（在锁定状态下）：

/* 1 */ int len = elements.length;
/* 2 */ Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
/* 3 */ newElements[index] = element;
/* 4 */ setArray(newElements);

另一方面，get(int)方法仅执行return get(getArray(), index);。

根据我对JMM的理解，这意味着如果语句1-4被重新排序为1-2（新的）-4-2（copyOf）-3，则get可能会观察到不一致的状态数组。

我是否错误地理解了JMM，或者还有其他解释可以说明为什么CopyOnWriteArrayList是线程安全的？

- Fixpoint

Answer 1

如果你查看底层数组引用，你会看到它被标记为 volatile 。当发生写操作时(比如上面的摘录)，只有在最后一个语句通过 setArray 更新数组引用中的 volatile 。在此之前，任何读取操作将返回来自旧副本的数组元素。

重要的一点是数组更新是原子操作，因此读取将始终以一致的状态查看数组。

仅为写操作锁定具有改进读取吞吐量的优点：这是因为复制写入整个列表可能非常缓慢。

- Adamski

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谢谢。我错过了数组是“易失性”的事实。 - Fixpoint

一个重要的细节是，volatile只适用于数组引用本身，而不适用于数组的内容。但由于所有对数组的更改都是在其引用被发布之前进行的，因此volatile保证扩展到数组的内容。 - assylias

直到此时，任何读取操作都只会看到原始值。这是否意味着 COW 迭代器仍然可能看到已更新的值，如果它还没有到达该项/点/位置？ - stdout

Answer 2

获取数组引用是一个原子操作，因此读取者将看到旧的数组或新的数组 - 无论哪种情况，状态都是一致的。（set(int,E)在设置引用之前计算新数组内容，因此在进行赋值时数组是一致的。）

数组引用本身被标记为volatile，这样读取者就不需要使用锁来查看对引用数组的更改。（编辑：此外，volatile保证了赋值不会被重新排序，否则可能导致在数组处于不一致状态时进行赋值。）

编写锁定是必要的，以防止并发修改，这可能导致数组保存不一致的数据或丢失更改。

- mdma

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这并不是100%准确的。设置引用的原子性并不足以保证一致性，而Java内存模型规则解决了这个问题。指令的乱序写入和重新排序可能会发生，然后线程可能会收到指向不一致对象的引用。这也会发生在双重检查锁定模式中（请参见http://www.ibm.com/developerworks/java/library/j-dcl.html）。 - Eyal Schneider

读写volatile变量被Java内存模型称为“同步操作”，这会对可以重排序的内容做出屏障。参考网址：http://java.sun.com/docs/books/jls/third_edition/html/memory.html。 - mdma

@Eyal Schneider：欢迎来到2004年（请参见http://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp03304/）。阅读标题为“volatile的新保证”的部分。 - Alexander Pogrebnyak

没错。但是根据你的回答，似乎引用设置的原子性本身就保证了数据完整性。 - Eyal Schneider

这只是一个关于在回答中放置多少细节的问题。但由于至少有一个人因此感到困惑，我将更新我的回答以明确说明这一点。 - mdma

Answer 3

根据Java 1.8的规定，以下是CopyOnWriteArrayList中数组和锁的声明。

/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
    private transient volatile Object[] array;

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

以下是 CopyOnWriteArrayList 的 add 方法定义。

 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();
    }
}

正如@Adamski已经提到的那样，array是易变的，并且只能通过setArray方法进行更新。之后，如果所有只读调用都被执行，它们将获得更新后的值，因此数组在这里始终保持一致。

- nagendra547

Answer 4

CopyOnWriteArrayList是Java 5 Concurrency API中引入的一个并发集合类，与其受欢迎的表亲ConcurrentHashMap一同出现在Java中。

CopyOnWriteArrayList实现了List接口，就像ArrayList、Vector和LinkedList一样，但它是线程安全的集合，并且它以稍微不同的方式实现了线程安全，而不是像Vector或其他线程安全集合类那样。

正如名称所示，CopyOnWriteArrayList在每次变异操作（例如添加或设置）时都会创建底层ArrayList的副本。通常，CopyOnWriteArrayList非常昂贵，因为它涉及到每次写操作都需要进行昂贵的数组复制，但如果您有一个迭代操作超过变异操作的列表，比如您主要需要迭代ArrayList而不经常修改它，那么它将非常高效。

CopyOnWriteArrayList的迭代器是安全的，即使在迭代开始后修改了基础CopyOnWriteArrayList，也不会抛出ConcurrentModificationException，因为迭代器正在操作ArrayList的单独副本。因此，所有对CopyOnWriteArrayList所做的更新都无法在迭代器中看到。

要获取最新版本，请像 list.iterator();一样进行新的读取。

话虽如此，频繁更新此集合将降低性能。如果您尝试对 CopyOnWriteArrayList 进行排序，您将看到列表引发 UnsupportedOperationException（排序会在集合上调用set N次）。仅当您进行90％以上的读取时才应使用此读取。

- Ankur Lathi