欢迎学习解读Java源码专栏，在这个系列中，我将手把手带着大家剖析Java核心组件的源码，内容包含集合、线程、线程池、并发、队列等，深入了解其背后的设计思想和实现细节，轻松应对工作面试。
引言
上篇文章提到ArrayList不是线程安全的，而CopyOnWriteArrayList是线程安全的。此刻我就会产生几个问题：
- CopyOnWriteArrayList初始容量是多少？
- CopyOnWriteArrayList是怎么进行扩容的？
- CopyOnWriteArrayList是怎么保证线程安全的？
带着这几个问题，一起分析一下CopyOnWriteArrayList的源码。
简介
CopyOnWriteArrayList是一种线程安全的ArrayList，底层是基于数组实现，不过该数组使用了volatile关键字修饰。 实现线程安全的原理是，“人如其名”，就是 Copy On Write（写时复制），意思就是在对其进行修改操作的时候，复制一个新的ArrayList，在新的ArrayList上进行修改操作，从而不影响旧的ArrayList的读操作。 看一下源码中CopyOnWriteArrayList内部有哪些数据结构组成：
public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
// 加锁，用来保证线程安全
final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 存储元素的数组，使用了volatile修饰
private transient volatile Object[] array;
// 数组的get/set方法
final Object[] getArray() {
return array;
}
final void setArray(Object[] a) {
array = a;
}
}CopyOnWriteArrayList的内部结构非常简单，使用ReentrantLock加锁，用来保证线程安全。使用数组存储元素，数组使用volatile修饰，用来保证内存可见性。当其他线程重新对数组对象进行赋值的时候，当前线程可以及时感知到。
初始化
当我们调用CopyOnWriteArrayList的构造方法的时候，底层逻辑是怎么实现的？
List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();CopyOnWriteArrayList初始化的时候，不支持指定数组长度，接着往下看，就能明白CopyOnWriteArrayList为什么不支持指定数组长度。
public CopyOnWriteArrayList() {
setArray(new Object[0]);
}初始化过程非常简单，就是创建了一个长度为0的数组。
添加元素
再看一下往CopyOnWriteArrayList添加元素时，调用的 add() 方法源码实现：
// 添加元素
public boolean add(E e) {
// 加锁，保证线程安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 获取原数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
// 创建一个新数组，长度原数组长度+1，并把原数组元素拷贝到新数组里面
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
// 直接赋值给新数组末尾位置
newElements[len] = e;
// 替换原数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}添加元素的流程：
- 先使用ReentrantLock加锁，保证线程安全。
- 再创建一个新数组，长度是原数组长度+1，并把原数组元素拷贝到新数组里面。
- 然后在新数组末尾位置赋值
- 使用新数组替换掉原数组
- 最后释放锁
add() 方法添加元素的时候，并没有在原数组上进行赋值，而是创建一个新数组，在新数组上赋值后，再用新数组替换原数组。这是为了利用volatile关键字的特性，如果直接在原数组上进行修改，其他线程是感知不到的。只有重新对原数组对象进行赋值，其他线程才能感知到。 还有一个需要注意的点是，每次添加元素的时候都会创建一个新数组，并涉及数组拷贝，相当于每次都进行扩容操作。当数组较大，性能消耗较为明显。所以CopyOnWriteArrayList适用于读多写少的场景，如果存在较多的写操作场景，性能也是一个需要考虑的因素。
删除元素
再看一下删除元素的方法 remove() 的源码：
// 按照下标删除元素
public E remove(int index) {
// 加锁，保证线程安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 获取原数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
E oldValue = get(elements, index);
// 计算需要移动的元素个数
int numMoved = len - index - 1;
if (numMoved == 0) {
// 0表示删除的是数组末尾的元素
setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
} else {
// 创建一个新数组，长度是原数组长度-1
Object[] newElements = new Object[len - 1];
// 把原数组下标前后两段的元素都拷贝到新数组里面
System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
numMoved);
// 替换原数组
setArray(newElements);
}
return oldValue;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}删除元素的流程：
- 先使用ReentrantLock加锁，保证线程安全。
- 再创建一个新数组，长度是原数组长度-1，并把原数组中剩余元素（不包含需要删除的元素）拷贝到新数组里面。
- 使用新数组替换掉原数组
- 最后释放锁
可以看到，删除元素的流程与添加元素的流程类似，都是需要创建一个新数组，再把旧数组元素拷贝到新数组，最后替换旧数组。区别就是新数组的长度不一样，删除元素流程中的新数组长度是旧数组长度-1，添加元素流程中的新数组长度是旧数组长度+1。 根据对象删除元素的方法源码与之类似，也是转换成下标删除，读者可自行查看。
批量删除
再看一下批量删除元素方法 removeAll() 的源码：
// 批量删除元素
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
// 参数判空
if (c == null) {
throw new NullPointerException();
}
// 加锁，保证线程安全
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
// 获取原数组
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;
if (len != 0) {
// 创建一个新数组，长度暂时使用原数组的长度，因为不知道要删除多少个元素。
Object[] temp = new Object[len];
// newlen表示新数组中元素个数
int newlen = 0;
// 遍历原数组，把需要保留的元素放到新数组中
for (int i = 0; i < len; ++i) {
Object element = elements[i];
if (!c.contains(element)) {
temp[newlen++] = element;
}
}
// 如果新数组没有满，就释放空白位置，并覆盖原数组
if (newlen != len) {
setArray(Arrays.copyOf(temp, newlen));
return true;
}
}
return false;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}批量删除元素的流程，与上面类似：
- 先使用ReentrantLock加锁，保证线程安全。
- 再创建一个新数组，长度暂时使用原数组的长度，因为不知道要删除多少个元素。
- 然后遍历原数组，把需要保留的元素放到新数组中。
- 释放掉新数组中空白位置，再使用新数组替换掉原数组。
- 最后释放锁
如果遇到需要一次删除多个元素的场景，尽量使用 removeAll() 方法，因为 removeAll() 方法只涉及一次数组拷贝，性能比单个删除元素更好。
并发修改问题
当遍历CopyOnWriteArrayList的过程中，同时增删CopyOnWriteArrayList中的元素，会发生什么情况？测试一下：
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(2);
list.add(3);
// 遍历ArrayList
for (Integer key : list) {
// 判断如果元素等于2，则删除
if (key.equals(2)) {
list.remove(key);
}
}
System.out.println(list);
}
}输出结果：
[1, 3]不但没有抛出异常，还把CopyOnWriteArrayList中重复的元素也都删除了。 原因是CopyOnWriteArrayList重新实现迭代器，拷贝了一份原数组的快照，在快照数组上进行遍历。这样做的优点是其他线程对数组的并发修改，不影响对快照数组的遍历，但是遍历过程中无法感知其他线程对数组修改，有得必有失。 下面是迭代器的源码实现：
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
/**
* 原数组的快照
*/
private final Object[] snapshot;
/**
* 迭代游标
*/
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
snapshot = elements;
}
public boolean hasNext() {
return cursor < snapshot.length;
}
// 迭代下个元素
public E next() {
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
return (E)snapshot[cursor++];
}
}总结
现在可以回答文章开头提出的问题了吧：
- CopyOnWriteArrayList初始容量是多少？
答案：是0
- CopyOnWriteArrayList是怎么进行扩容的？
答案：
- 加锁
- 创建一个新数组，长度原数组长度+1，并把原数组元素拷贝到新数组里面。
- 释放锁
- CopyOnWriteArrayList是怎么保证线程安全的？
答案：
- 使用ReentrantLock加锁，保证操作过程中线程安全。
- 使用volatile关键字修饰数组，保证当前线程对数组对象重新赋值后，其他线程可以及时感知到。
