CopyOnWrite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并发包里面提供了两个使用COW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。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，在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，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。
public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 8673264195747942595L;
/**
* The lock protecting all mutators. (We have a mild preference
* for builtin monitors over ReentrantLock when either will do.)
*/
final transient Object lock = new Object();
/** The array, accessed only via getArray/setArray. */
private transient volatile Object[] array;
/**
* Gets the array. Non-private so as to also be accessible
* from CopyOnWriteArraySet class.
*/
final Object[] getArray() {
return array;
}
/**
* Sets the array.
*/
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
}
我们先看下add方法的实现，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
/**
* Appends the specified element to the end of this list.
*
* @param e element to be appended to this list
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
synchronized (lock) {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;
setArray(newElements);
return true;
}
}
读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList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CopyOnWriteArrayList。
public E get(int index) {
return get(getArray(), index);
}
private E get(Object[] a, int index) {
return (E) a[index];
}
CopyOnWriteArraySet
它是线程安全的无序集合，可以将它理解成线程安全的HashSet。CopyOnWriteArraySet和HashSet虽然都集成于共同的父类AbstractSet，但是HashSet是通过散列表(HashMap)实现的。而CopyOnWriteArraySet则是通过动态数组(CopyOnWriteArrayList)实现的，并不是散列表。
和CopyOnWriteArrayList类似，其实CopyOnWriteArraySet底层包含一个CopyOnWriteArrayList,几乎所有操作都是借助CopyOnWriteArrayList,就像HashSet包含了HashMap。具有以下特征:
- 适合于Set大小通常保持很小，只读操作多于可变操作
- 它是线程安全的
- 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作(add(),set()和remove()等等)开销很大
- 迭代器支持hashNext(),next()等不可变操作，但是不支持可变remove()等操作
- 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。
与CopyOnWriteArrayList的区别：
CopyOnWriteArrayList中允许有重复的元素；但是CopyOnWriteArraySet不允许有重复元素。CopyOnWriteArrayList额外提供了addIfAbsent()和addAllAbsent()这两个添加元素的API，通过这个两个API来添加元素，只有当元素不存在时才执行添加操作。
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：
import java.util.Collection;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
private volatile Map<K, V> internalMap;
public CopyOnWriteMap() {
internalMap = new HashMap<K, V>();
}
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 get(Object key) {
return internalMap.get(key);
}
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
synchronized (this) {
Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
newMap.putAll(newData);
internalMap = newMap;
}
}
}
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。
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。
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]
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。
