java多线程-Java中的Copy-On-Write容器
2016-02-25 12:09
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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。
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。
add方法
set方法
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。
get方法
jdk中没有提供CopyOnWriteHashMap,通过阅读CopyOnWriteArrayList源码自己实现一个简单的CopyOnWriteHashMap,使用Synchronized锁实现
CopyOnWriteHashMap实现
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:
代码很简单,但是使用CopyOnWriteHashMap需要注意两件事情:
1.减少扩容开销。根据实际需要,初始化CopyOnWriteHashMap的大小,避免写时CopyOnWriteHashMap扩容的开销。
2.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。
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。
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。
什么是CopyOnWrite容器?
CopyOnWrite容器即写时复制的容器。简单来讲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。
CopyOnWriteArrayList的实现原理
在使用CopyOnWriteArrayList之前,先来阅读以下CopyOnWriteArrayList的源码。我们发现在向CopyOnWriteArrayList中添加元素的时候使用ReentrantLock加了锁,否则多线程写的时候回copy出多个副本。add方法
public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); int len = elements.length; //复制一个新数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //把容器中新元素指向新数组 newElements[len] = e; //把新元素添加到新数组 setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }
set方法
public E set(int index, E element) { //获得锁 final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { Object[] elements = getArray(); Object oldValue = elements[index];if (oldValue != element) { int len = elements.length; Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len); newElements[index] = element; setArray(newElements); } else { // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics setArray(elements); } return (E)oldValue; } finally { lock.unlock(); } }
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。
get方法
public E get(int index) { return get(getArray(), index); }
jdk中没有提供CopyOnWriteHashMap,通过阅读CopyOnWriteArrayList源码自己实现一个简单的CopyOnWriteHashMap,使用Synchronized锁实现
CopyOnWriteHashMap实现
package com.cary.base.copyonwrite; import java.util.Arrays; import java.util.Collection; import java.util.HashMap; import java.util.Map; import java.util.Set; import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class CopyOnWriteHashMap implements Map, Cloneable { private volatile Map internalMap;public CopyOnWriteHashMap() { internalMap = new HashMap<K, V>(); } public int size() { return internalMap.size(); } public boolean isEmpty() { return internalMap.isEmpty(); } public boolean containsKey(Object key) { return internalMap.containsKey(key); } public boolean containsValue(Object value) { return internalMap.containsValue(value); } public V get(Object key) { return internalMap.get(key); } public V put(K key, V value) { synchronized (this) { Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); V val = newMap.put(key, value); internalMap = newMap; return val; } } public V remove(Object key) { synchronized (this) { Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); V val = newMap.remove(key); internalMap = newMap; return val; } } public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) { synchronized (this) { Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); newMap.putAll(m); internalMap = newMap; } } public void clear() { synchronized (this) { Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap); newMap.clear(); internalMap = newMap; } } public Set<K> keySet() { return internalMap.keySet(); } public Collection<V> values() { return internalMap.values(); } public Set<java.util.Map.Entry<K, V>> entrySet() { return internalMap.entrySet(); }
}
CopyOnWrite的应用场景
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单,黑名单,商品搜索的访问和更新场景,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:
private static CopyOnWriteHashMap blackListMap = new CopyOnWriteHashMap(2000);/** * 是否黑名单 * * @param id * @return */ public static boolean isBlackList(String id) { return blackListMap.get(id) == null ? false : true; } /** * 添加白名单 * * @param id */ public static void addBlackList(String id) { blackListMap.put(id, Boolean.TRUE); } /** * 批量添加黑名单 * * @param ids */ public static void addBlackList(Map<String, Boolean> ids) { blackListMap.putAll(ids); }
代码很简单,但是使用CopyOnWriteHashMap需要注意两件事情:
1.减少扩容开销。根据实际需要,初始化CopyOnWriteHashMap的大小,避免写时CopyOnWriteHashMap扩容的开销。
2.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。
CopyOnWrite的缺点
CopyOnWrite容器有很多优点,但是同时也存在两个问题,即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。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。
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