图解CopyOnWriteArrayList数据结构设计与应用案例CopyOnWriteArrayList 是 Java

CopyOnWriteArrayList 是 Java 中的一个线程安全变体的 ArrayList，它用于读多写少的场景。在 CopyOnWriteArrayList 中，所有的修改操作（如添加、删除元素）都会在数组的副本上进行，修改完成后再将原数组引用指向新的副本。这种方法可以减少锁的使用，提高读操作的性能，因为在读取时不需要加锁。由于写操作需要复制数组，所以当列表元素较多或写操作频繁时，可能会影响性能。CopyOnWriteArrayList 适用于迭代操作远多于修改操作的场景，如并发缓存、实时查询结果的存储等。

1、CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 在 Java 中是一个线程安全的变体数组列表，其特点是在修改（写操作）时通过复制整个底层数组来实现，以此保证读操作的线程安全和高性能。以下是 CopyOnWriteArrayList 的设计：

设计思考：

需求场景：
- 在多线程环境中，读操作远比写操作频繁，且对数据的实时性要求不是非常高的场景。例如，缓存系统、实时数据的订阅发布模型等。
现有技术局限性：
- 传统的线程安全实现，如 Vector 或通过 synchronized 同步代码块或方法，可能会因为写操作导致的线程阻塞，严重影响并发性能。
技术融合：
- CopyOnWriteArrayList 采用了写时复制（Copy-On-Write）的策略，当进行写操作（添加、删除等）时，先复制整个数组，然后在新数组上进行操作，而读操作则直接作用于原数组，从而提高了读操作的性能。
设计理念：
- 利用了读操作远多于写操作的特性，通过分离读和写操作，使得读操作无需加锁，从而提高了并发读的性能。
实现方式：
- 内部使用一个数组来存储元素，所有写操作都会创建一个新的数组，并将修改应用于新数组，然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：

CopyOnWriteArrayList:
- 表示 CopyOnWriteArrayList 的实例。
Object[] array:
- CopyOnWriteArrayList 内部使用的一个数组 array 来存储元素。这是原始数组，所有读操作都访问这个数组。
Object[] newArray:
- 写操作时创建的新数组。当写操作发生时，这个数组是原始数组的一个深拷贝。
写操作:
- 包括添加、删除或修改元素。写操作不是在原始数组上进行，而是在新数组上进行。

工作原理：

读操作:
- 多个读线程可以同时访问和遍历 array，因为数组是不可变的。
写操作:
- 当写操作发生时（如添加、删除或修改元素），写线程首先会创建原始 array 的一个副本 newArray。
- 写线程在 newArray 上进行添加、删除或修改操作。
- 写操作完成后，写线程会原子性地将 CopyOnWriteArrayList 的内部数组引用指向 newArray。
数据一致性:
- 在写操作进行时，读线程仍然可以访问旧的内部数组 array，从而保证了数据的一致性。

3、执行流程

图说明：

初始化 CopyOnWriteArrayList:
- 创建一个空的 CopyOnWriteArrayList 实例。
内部数组 array:
- CopyOnWriteArrayList 内部使用一个数组来存储元素。
读操作:
- 直接读取内部数组的元素，是线程安全的，因为内部数组不可变。
写操作:
- 包括添加、删除和修改元素，需要创建内部数组的一个新副本。
复制数组:
- 在执行写操作前，复制内部数组，以保证新元素的添加不会影响读操作。
添加元素:
- 向 CopyOnWriteArrayList 添加新元素。
删除元素:
- 从 CopyOnWriteArrayList 删除元素。
修改元素:
- 修改 CopyOnWriteArrayList 中的元素。
数组拷贝:
- 创建内部数组的一个新副本，并在新副本上执行写操作。

4、优点：

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。
线程安全：
- 写操作通过复制整个数组来保证线程安全。
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：

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。
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。
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、统计信息的收集等。

7、类设计

8、应用案例

CopyOnWriteArrayList 通常用于实现线程安全的动态数组，特别是在读操作远多于写操作的情况下。这是一个简单的实时消息系统，用于管理在线用户列表：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.List;

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

    public User(String username, String status) {
        this.username = username;
        this.status = status;
    }

    public String getUsername() {
        return username;
    }

    public String getStatus() {
        return status;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return username + " (" + status + ")";
    }
}

// 消息系统类，用于管理在线用户列表
class MessagingSystem {
    private List<User> onlineUsers;

    public MessagingSystem() {
        onlineUsers = new CopyOnWriteArrayList<>();
    }

    // 添加用户到在线列表
    public void addUser(User user) {
        onlineUsers.add(user);
        System.out.println("User added: " + user);
    }

    // 移除用户从在线列表
    public void removeUser(User user) {
        onlineUsers.remove(user);
        System.out.println("User removed: " + user);
    }

    // 获取当前所有在线用户
    public List<User> getOnlineUsers() {
        return onlineUsers;
    }
}

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

        // 模拟添加用户到系统
        messagingSystem.addUser(new User("Alice", "online"));
        messagingSystem.addUser(new User("Bob", "online"));
        messagingSystem.addUser(new User("Charlie", "online"));

        // 获取并打印所有在线用户
        List<User> onlineUsers = messagingSystem.getOnlineUsers();
        for (User user : onlineUsers) {
            System.out.println("Online user: " + user);
        }

        // 模拟移除用户
        messagingSystem.removeUser(new User("Bob", "online"));
    }
}

图解CopyOnWriteArrayList数据结构设计与应用案例

1、CopyOnWriteArrayList

设计思考：

2、 数据结构

图说明：

工作原理：

3、 执行流程

图说明：

4、优点：

5、缺点：

6、使用场景：

7、类设计

8、应用案例

2、数据结构

3、执行流程