CopyOnWriteArrayList与Collections.synchronizedList的性能对比

时间：2022-09-21 21:54:13
列表实现有ArrayList、Vector、CopyOnWriteArrayList、Collections.synchronizedList(list)四种方式。

1 ArrayList

ArrayList是非线性安全，此类的 iterator 和 listIterator 方法返回的迭代器是快速失败的：在创建迭代器之后，除非通过迭代器自身的 remove 或 add 方法从结构上对列表进行修改，否则在任何时间以任何方式对列表进行修改，迭代器都会抛出 ConcurrentModificationException。即在一方在便利列表，而另一方在修改列表时，会报ConcurrentModificationException错误。而这不是唯一的并发时容易发生的错误，在多线程进行插入操作时，由于没有进行同步操作，容易丢失数据。

  1. public boolean add(E e) {
  2. ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
  3. elementData[size++] = e;//使用了size++操作，会产生多线程数据丢失问题。
  4. return true;
  5. }

因此，在开发过程当中，ArrayList并不适用于多线程的操作。

2 Vector

        从JDK1.0开始，Vector便存在JDK中，Vector是一个线程安全的列表，采用数组实现。其线程安全的实现方式是对所有操作都加上了synchronized关键字，这种方式严重影响效率，因此，不再推荐使用Vector了，*当中有这样的描述：Why is Java Vector class considered obsolete or deprecated?。

3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList

       CopyOnWriteArrayList和Collections.synchronizedList是实现线程安全的列表的两种方式。两种实现方式分别针对不同情况有不同的性能表现，其中CopyOnWriteArrayList的写操作性能较差，而多线程的读操作性能较好。而Collections.synchronizedList的写操作性能比CopyOnWriteArrayList在多线程操作的情况下要好很多，而读操作因为是采用了synchronized关键字的方式，其读操作性能并不如CopyOnWriteArrayList。因此在不同的应用场景下，应该选择不同的多线程安全实现类。

3.1 Collections.synchronizedList

        Collections.synchronizedList的源码可知，其实现线程安全的方式是建立了list的包装类，代码如下：
  1. public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
  2. return (list instanceof RandomAccess ?
  3. new SynchronizedRandomAccessList<T>(list) :
  4. new SynchronizedList<T>(list));//根据不同的list类型最终实现不同的包装类。
  5. }

其中，SynchronizedList对部分操作加上了synchronized关键字以保证线程安全。但其iterator()操作还不是线程安全的。部分SynchronizedList的代码如下：

  1. public E get(int index) {
  2. synchronized(mutex) {return list.get(index);}
  3. }
  4. public E set(int index, E element) {
  5. synchronized(mutex) {return list.set(index, element);}
  6. }
  7. public void add(int index, E element) {
  8. synchronized(mutex) {list.add(index, element);}
  9. }
  10. public ListIterator<E> listIterator() {
  11. return list.listIterator(); // Must be manually synched by user 需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException
  12. }
  13. public ListIterator<E> listIterator(int index) {
  14. return list.listIterator(index); // Must be manually synched by user <span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">需要用户保证同步，否则仍然可能抛出ConcurrentModificationException</span>
  15. }

3.2 CopyOnWriteArrayList

        从字面可以知道，CopyOnWriteArrayList在线程对其进行些操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段。其写操作的代码如下：
  1. /** The lock protecting all mutators */
  2. transient final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  3. /** The array, accessed only via getArray/setArray. */
  4. private volatile transient Object[] array;//保证了线程的可见性
  5. public boolean add(E e) {
  6. final ReentrantLock lock = this.lock;//ReentrantLock 保证了线程的可见性和顺序性，即保证了多线程安全。
  7. lock.lock();
  8. try {
  9. Object[] elements = getArray();
  10. int len = elements.length;
  11. Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);//在原先数组基础之上新建长度＋1的数组，并将原先数组当中的内容拷贝到新数组当中。
  12. newElements[len] = e;//设值
  13. setArray(newElements);//对新数组进行赋值
  14. return true;
  15. } finally {
  16. lock.unlock();
  17. }
  18. }

其读操作代码如下：

  1. public E get(int index) {
  2. return (E)(getArray()[index]);
  3. }

其没有加任何同步关键字，根据以上写操作的代码可知，其每次写操作都会进行一次数组复制操作，然后对新复制的数组进行些操作，不可能存在在同时又读写操作在同一个数组上（不是同一个对象），而读操作并没有对数组修改，不会产生线程安全问题。Java中两个不同的引用指向同一个对象，当第一个引用指向另外一个对象时，第二个引用还将保持原来的对象。
        其中setArray()操作仅仅是对array进行引用赋值。Java中“=”操作只是将引用和某个对象关联，假如同时有一个线程将引用指向另外一个对象，一个线程获取这个引用指向的对象，那么他们之间不会发生ConcurrentModificationException，他们是在虚拟机层面阻塞的，而且速度非常快，是一个原子操作，几乎不需要CPU时间。

        在列表有更新时直接将原有的列表复制一份，并再新的列表上进行更新操作，完成后再将引用移到新的列表上。旧列表如果仍在使用中(比如遍历)则继续有效。如此一来就不会出现修改了正在使用的对象的情况(读和写分别发生在两个对象上)，同时读操作也不必等待写操作的完成，免去了锁的使用加快了读取速度。

3.3 Collections.synchronizedList & CopyOnWriteArrayList在读写操作上的差距

        测试代码：
  1. package com.yang.test;
  2. import org.junit.Test;
  3. import java.util.*;
  4. import java.util.concurrent.*;
  5. /**
  6. * Created with IntelliJ IDEA.
  7. * User: yangzl2008
  8. * Date: 14-9-18
  9. * Time: 下午8:36
  10. * To change this template use File | Settings | File Templates.
  11. */
  12. public class Test02 {
  13. private int NUM = 10000;
  14. private int THREAD_COUNT = 16;
  15. @Test
  16. public void testAdd() throws Exception {
  17. List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
  18. List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>());
  19. Vector<Integer> v  = new Vector<Integer>();
  20. CountDownLatch add_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);
  21. ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
  22. int add_copyCostTime = 0;
  23. int add_synchCostTime = 0;
  24. for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
  25. add_copyCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list1, add_countDownLatch)).get();
  26. }
  27. System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + add_copyCostTime);
  28. for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
  29. add_synchCostTime += executor.submit(new AddTestTask(list2, add_countDownLatch)).get();
  30. }
  31. System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + add_synchCostTime);
  32. }
  33. @Test
  34. public void testGet() throws Exception {
  35. List<Integer> list = initList();
  36. List<Integer> list1 = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(list);
  37. List<Integer> list2 = Collections.synchronizedList(list);
  38. int get_copyCostTime = 0;
  39. int get_synchCostTime = 0;
  40. ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
  41. CountDownLatch get_countDownLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);
  42. for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
  43. get_copyCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list1, get_countDownLatch)).get();
  44. }
  45. System.out.println("CopyOnWriteArrayList add method cost time is " + get_copyCostTime);
  46. for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
  47. get_synchCostTime += executor.submit(new GetTestTask(list2, get_countDownLatch)).get();
  48. }
  49. System.out.println("Collections.synchronizedList add method cost time is " + get_synchCostTime);
  50. }
  51. private List<Integer> initList() {
  52. List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
  53. int num = new Random().nextInt(1000);
  54. for (int i = 0; i < NUM; i++) {
  55. list.add(num);
  56. }
  57. return list;
  58. }
  59. class AddTestTask implements Callable<Integer> {
  60. List<Integer> list;
  61. CountDownLatch countDownLatch;
  62. AddTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {
  63. this.list = list;
  64. this.countDownLatch = countDownLatch;
  65. }
  66. @Override
  67. public Integer call() throws Exception {
  68. int num = new Random().nextInt(1000);
  69. long start = System.currentTimeMillis();
  70. for (int i = 0; i < NUM; i++) {
  71. list.add(num);
  72. }
  73. long end = System.currentTimeMillis();
  74. countDownLatch.countDown();
  75. return (int) (end - start);
  76. }
  77. }
  78. class GetTestTask implements Callable<Integer> {
  79. List<Integer> list;
  80. CountDownLatch countDownLatch;
  81. GetTestTask(List<Integer> list, CountDownLatch countDownLatch) {
  82. this.list = list;
  83. this.countDownLatch = countDownLatch;
  84. }
  85. @Override
  86. public Integer call() throws Exception {
  87. int pos = new Random().nextInt(NUM);
  88. long start = System.currentTimeMillis();
  89. for (int i = 0; i < NUM; i++) {
  90. list.get(pos);
  91. }
  92. long end = System.currentTimeMillis();
  93. countDownLatch.countDown();
  94. return (int) (end - start);
  95. }
  96. }
  97. }

操作结果：

  写操作 读操作
  CopyOnWriteArrayList  Collections.
synchronizedList		 CopyOnWriteArrayList  Collections.
synchronizedList
2 567 2 1 1
4 3088 3 2 2
8 25975 28 2 3
16 295936 44 2 6
32 － － 3 8
64 － － 7 21
128 － － 9 38

写操作：在线程数目增加时CopyOnWriteArrayList的写操作性能下降非常严重，而Collections.synchronizedList虽然有性能的降低，但下降并不明显。

        读操作：在多线程进行读时，Collections.synchronizedList和CopyOnWriteArrayList均有性能的降低，但是Collections.synchronizedList的性能降低更加显著。

4 结论

        CopyOnWriteArrayList，发生修改时候做copy，新老版本分离，保证读的高性能，适用于以读为主，读操作远远大于写操作的场景中使用，比如缓存。而Collections.synchronizedList则可以用在CopyOnWriteArrayList不适用，但是有需要同步列表的地方，读写操作都比较均匀的地方。

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