图解CopyOnWriteArraySet数据结构设计与应用案例

CopyOnWriteArraySet 是 Java 中的一个线程安全的集合类，它继承自 CopyOnWriteArrayList 并实现了 Set 接口。这个集合使用数组来存储元素，并且采用了“写时复制”（Copy-On-Write）的策略来保证线程安全。在进行修改操作（如添加或删除元素）时，CopyOnWriteArraySet 会复制整个底层数组，而不是直接在原数组上进行修改，这样可以避免使用锁，从而提高读操作的性能。由于写操作涉及数组的复制，所以当集合元素较多时，可能会影响性能。CopyOnWriteArraySet 适用于读操作远多于写操作的场景，例如并发缓存、实时查询结果的存储等。

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1、 CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet 是 Java 并发包 java.util.concurrent 中的一个集合类，它是 CopyOnWriteArrayList 的一个变体，用于维护一个线程安全的、动态的元素集合。以下是 CopyOnWriteArraySet 的设计：

设计思考：

1. 需求场景：
   • 在多线程环境中，读操作频繁而写操作相对较少的场景，如缓存、实时数据集、事件监听器集合等。
2. 现有技术局限性：
   • 传统的线程安全集合，如 Collections.synchronizedSet 或 Hashtable，在读多写少的场景下可能因为写操作导致的线程阻塞，影响性能。
3. 技术融合：
   • CopyOnWriteArraySet 采用了写时复制（Copy-On-Write）的策略，在读操作远多于写操作的情况下，提高了读操作的性能。
4. 设计理念：
   • CopyOnWriteArraySet 利用了读操作远多于写操作的特点，在读操作时不需要加锁，从而提高了并发读的性能。
5. 实现方式：
   • 内部使用 CopyOnWriteArrayList 存储元素，所有写操作（添加、删除等）都会创建一个新的数组副本，然后对新数组进行修改，最后原子性地将内部数组引用指向新数组。

2、 数据结构

图说明

• CopyOnWriteArraySet：表示 CopyOnWriteArraySet 类的实例，它提供了线程安全的 Set 集合功能。
• CopyOnWriteArrayList：CopyOnWriteArraySet 基于 CopyOnWriteArrayList 实现，后者是线程安全的 ArrayList 实现。
• 内部数组：CopyOnWriteArrayList 初始的内部数组，用于存储集合中的元素。
• 内部数组副本：当执行写操作（如添加、删除）时，CopyOnWriteArrayList 创建内部数组的一个副本。
• 新内部数组：写操作完成后，CopyOnWriteArrayList 将内部数组引用指向新的数组副本。
• 元素1、元素2、元素n：表示存储在 CopyOnWriteArraySet 中的实际数据。

3、 执行流程

图说明

• 创建 CopyOnWriteArraySet 实例：初始化 CopyOnWriteArraySet 对象。
• 添加元素：将元素添加到 CopyOnWriteArraySet。
• 复制旧内部数组：为了添加元素，先复制当前的内部数组。
• 修改新内部数组副本：在数组的副本上添加元素。
• 将新内部数组副本设置为当前：将修改后的数组副本设置为当前数组，完成添加操作。
• 删除元素：从 CopyOnWriteArraySet 删除元素。
• 复制旧内部数组：为了删除元素，先复制当前的内部数组。
• 修改新内部数组副本：在数组的副本上删除元素。
• 将新内部数组副本设置为当前：将修改后的数组副本设置为当前数组，完成删除操作。
• 遍历 CopyOnWriteArraySet：遍历 CopyOnWriteArraySet 中的所有元素。
• 读取当前内部数组：读取当前的内部数组，进行遍历操作。

4、优点：

1. 读操作性能高：
   • 读操作不需要加锁，可以由多个线程并发进行。
2. 线程安全：
   • 写操作通过复制整个数组来保证线程安全。
3. 写操作不阻塞读操作：
   • 写操作不会影响读操作的执行，因为读操作作用于原数组。

5、 缺点：

1. 写操作性能开销：
   • 写操作需要复制整个数组，对于大数据量的数组，性能开销较大。
2. 内存消耗：
   • 写操作时会创建新的数组，可能会导致内存消耗较高。
3. 数据实时性：
   • 读操作可能读取到的不是最新数据，因为写操作完成后，数据的变更才会被复制到新数组。

6、使用场景：

• 适用于读多写少的场景，如配置信息的存储、统计信息的收集、事件监听器的管理等。

7、类设计

8、应用案例

CopyOnWriteArraySet 通常用于实现线程安全的集合，特别是在读操作远多于写操作的情况下。这是一个用户会话管理器，用于跟踪用户的登录状态和最后活跃时间：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet;

// 用户类，用于表示系统中的用户
class User {
    private String id;
    private String username;
    private long lastActiveTime;

    public User(String id, String username, long lastActiveTime) {
        this.id = id;
        this.username = username;
        this.lastActiveTime = lastActiveTime;
    }

    // 省略 getter 和 setter 方法
    @Override
    public String toString() {
        return User{ +
               id=' + id + ''' +
               , username=' + username + ''' +
               , lastActiveTime= + lastActiveTime +
               '}';
    }
}

// 用户会话管理器类
class UserSessionManager {
    private CopyOnWriteArraySet<User> activeUsers;

    public UserSessionManager() {
        activeUsers = new CopyOnWriteArraySet<>();
    }

    // 添加或更新用户会话
    public void addUser(User user) {
        activeUsers.add(user);
    }

    // 获取所有活跃用户
    public CopyOnWriteArraySet<User> getActiveUsers() {
        return activeUsers;
    }

    // 移除用户会话
    public void removeUser(String userId) {
        // 遍历 CopyOnWriteArraySet 以找到并移除指定用户
        for (User user : activeUsers) {
            if (user.getId().equals(userId)) {
                activeUsers.remove(user);
                break;
            }
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        UserSessionManager sessionManager = new UserSessionManager();

        // 模拟用户登录
        sessionManager.addUser(new User(1, Alice, System.currentTimeMillis()));
        sessionManager.addUser(new User(2, Bob, System.currentTimeMillis()));

        // 获取并打印所有活跃用户
        CopyOnWriteArraySet<User> activeUsers = sessionManager.getActiveUsers();
        for (User user : activeUsers) {
            System.out.println(Active User:  + user);
        }

        // 模拟用户注销
        sessionManager.removeUser(1);

        // 再次获取并打印所有活跃用户
        activeUsers = sessionManager.getActiveUsers();
        for (User user : activeUsers) {
            System.out.println(Active User:  + user);
        }
    }
}