Java 中的 CopyOnWriteArrayList get() 方法

在 Java 集合类中，CopyOnWriteArrayList 是一种线程安全版本的 List。它的主要特点是当有写操作需要修改列表时，会先将原有的列表备份一份，再在备份中进行修改，最后再用备份替换掉原有的列表。这样可以保证在读取列表时不会被写操作影响，从而保证读取时的线程安全性。

CopyOnWriteArrayList 中有一个非常常用的方法就是 get(int index)，用于获取列表中指定索引位置的元素。在本篇文章中，我们将深入学习 CopyOnWriteArrayList 中的 get() 方法，包括其用法、底层实现原理和常见使用场景等。

`CopyOnWriteArrayList` 的使用

首先，我们先来看一下 CopyOnWriteArrayList 的基本用法和一些常见的操作。

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个空列表
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 添加元素
        list.add("hello");
        list.add("world");
        list.add("!");

        // 修改元素
        list.set(2, "!!!");

        // 删除元素
        list.remove(1);

        // 获取元素
        String element = list.get(0);
        System.out.println(element);

        // 遍历元素
        for (String str : list) {
            System.out.println(str);
        }
    }
}

在上面的示例中，我们首先创建了一个空的 CopyOnWriteArrayList，然后依次添加了三个字符串元素。接着我们对第三个元素进行了修改，将 ! 修改为 !!!。然后又删除了第二个元素 world，最后使用 get() 方法获取了第一个元素 hello 并进行了输出。最后我们还遍历了整个列表并输出了所有元素。

`CopyOnWriteArrayList` 的内部实现

接下来我们来深入了解一下 get() 方法的具体实现。为了更好地理解底层实现原理，我们需要先了解一下 CopyOnWriteArrayList 内部的数据结构和一些常量。

数据结构

CopyOnWriteArrayList 内部维护了一个 Object[] 类型的数组 array，其中存放着所有的元素。

private transient volatile Object[] array;

由于它的线程安全性问题，数组内部元素并不是直接修改的，而是先将原数组进行一次拷贝，修改后再进行替换。拷贝后的数组存储在 transient 修饰的数组 transient volatile Object[] lock 中。

// ReentrantLock 用于实现加锁同步
// 这里数组是通过 ReentrantLock 保护的，而不是 synchronized
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private transient volatile Object[] array;
private final Object[] getArray() {
    return array;
}
private final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}
private transient volatile Object[] transientArray;

常量

在 CopyOnWriteArrayList 内部，还定义了一些常量，这些常量有助于提高代码的阅读性以及对 get() 方法底层实现原理的理解。

其中最主要的常量就是 private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}。它起到了当 CopyOnWriteArrayList 创建时没有给定初始大小时的默认大小的作用。当我们 new 一个 CopyOnWriteArrayList 对象时，即便它是空的，也会分配一个空数组并把 array 属性指向它。

此外，还用到了两个常量：private static final AtomicInteger COUNT_UPDATER =AtomicIntegerArray.newUpdater(CopyOnWriteArrayList.class, "count"); 和 private static final long serialVersionUID = 5457747651344034263L;。这两个常量主要作用是提供了计数器的功能和一个标识符。

private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};
private static final AtomicInteger COUNT_UPDATER =
        AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(CopyOnWriteArrayList.class, "count");
private static final long serialVersionUID = 5457747651344034263L;

`get()` 方法的实现原理

在了解了 CopyOnWriteArrayList 的数据结构和常量后，我们来看看 get() 方法的实现原理。

首先，get() 方法需要判断传入的索引位置是否合法。如果不合法，会直接抛出一个 IndexOutOfBoundsException 异常。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

接下来，get() 方法会调用 get() 方法的另一个重载方法 get(Object[] a, int index)，该方法传入了数组 array 和要获取的元素索引。然后该方法直接返回了指定索引位置的元素。

需要注意的是，get() 方法并没有对数组进行任何加锁操作。这是因为 CopyOnWriteArrayList 的读取操作是线程安全的，不需要进行加锁操作。因为每次写操作都会先将原有的列表备份一份，再在备份中进行修改，最后再用备份替换掉原有的列表，因此读操作对于产生的备份数组是线程安全的。

使用场景

最后，我们来看看 CopyOnWriteArrayList 中的 get() 方法常见的使用场景。

快照

由于 CopyOnWriteArrayList 的读取操作是线程安全的，因此我们可以利用 get() 方法进行快照操作。即在列表中获取指定索引位置的元素时，可以将其拷贝出来形成一个新的列表。

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
// 添加元素...
List<String> snapshot = new ArrayList<>(list);

如上所示，我们先创建了一个 CopyOnWriteArrayList 对象，然后添加了一些元素。接着，我们可以使用 get() 方法获取列表中的元素，将其拷贝到一个新的 List 中，形成一个快照。

队列

由于 CopyOnWriteArrayList 在读取操作时可以保证线程安全，因此可以将其用作队列来进行实现。例如：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class MsgQueue {
    private final CopyOnWriteArrayList<String> queue = new CopyOnWriteArrayList<>();

    public void add(String msg) {
        queue.add(msg);
    }

    public String get() {
        if (queue.isEmpty()) {
            return null;
        }
        return queue.remove(0);
    }
}

在上述示例中，我们使用 CopyOnWriteArrayList 作为队列，在 add() 方法中向队列中添加元素，在 get() 方法中按照先进先出的顺序获取队列中的元素并删除。