揭秘 Java CopyOnWriteArraySet：深入源码剖析使用原理
一、引言
在 Java 并发编程的世界里，线程安全的数据结构是至关重要的。当多个线程同时访问和修改数据时，如何保证数据的一致性和完整性是一个核心问题。CopyOnWriteArraySet 作为 Java 并发包（java.util.concurrent）中的一员，为解决多线程环境下集合操作的线程安全问题提供了一种独特的解决方案。
CopyOnWriteArraySet 是一个线程安全的集合，它继承自 AbstractSet 类并实现了 Set 接口。从名字就可以看出，它采用了“写时复制”（Copy-On-Write）的策略。简单来说，当对 CopyOnWriteArraySet 进行写操作（如添加、删除元素）时，它会创建底层数组的一个副本，在副本上进行修改操作，修改完成后再将副本替换原数组。而读操作则直接在原数组上进行，无需加锁。这种机制使得读操作可以无锁并发执行，从而提高了读操作的性能，特别适用于读多写少的场景。
本文将深入剖析 CopyOnWriteArraySet 的使用原理，从源码的角度详细解读其内部实现。我们将逐步分析其构造方法、核心操作方法（如添加、删除、查找元素）以及并发控制机制，通过实际的代码示例和详细的注释，帮助读者更好地理解 CopyOnWriteArraySet 的工作原理。同时，我们还将探讨其性能特点、适用场景以及与其他集合实现的比较。通过阅读本文，你将对 CopyOnWriteArraySet 有一个全面而深入的了解，能够在实际项目中更加合理地运用它。
二、CopyOnWriteArraySet 概述
2.1 什么是 CopyOnWriteArraySet
CopyOnWriteArraySet 是 Java 并发包中提供的一个线程安全的集合实现，它是 Set 接口的一个具体实现。Set 接口的特点是不允许存储重复的元素，CopyOnWriteArraySet 同样遵循这一特性，确保集合中的元素是唯一的。
2.2 CopyOnWriteArraySet 的特点
- 线程安全：
CopyOnWriteArraySet保证了在多线程环境下对集合的操作是线程安全的，无需额外的同步机制。 - 读操作无锁：读操作（如
contains、iterator等）可以无锁地并发执行，不会阻塞其他线程的读操作，提高了读操作的性能。 - 写时复制：写操作（如
add、remove等）会创建一个原数组的副本，在副本上进行修改，修改完成后再将副本替换原数组。这种机制保证了写操作的原子性，但会带来一定的内存开销和写操作性能损耗。 - 弱一致性迭代器：
CopyOnWriteArraySet的迭代器是弱一致性的，即迭代器创建时会基于当时的数组状态，在迭代过程中如果其他线程对集合进行了修改，迭代器不会反映这些修改，仍然会遍历迭代器创建时的数组元素。
2.3 CopyOnWriteArraySet 的应用场景
由于 CopyOnWriteArraySet 读操作无锁的特性，它特别适用于读多写少的场景，例如：
- 配置信息存储：在一些系统中，配置信息通常只需要在启动时加载，之后很少修改，但会被多个线程频繁读取。使用
CopyOnWriteArraySet可以高效地存储和读取这些配置信息。 - 事件监听器集合：在事件驱动的系统中，事件监听器集合通常只在系统初始化时注册，之后很少修改，但会被频繁地遍历以触发事件。
CopyOnWriteArraySet可以很好地满足这种读多写少的需求。
三、CopyOnWriteArraySet 源码分析
3.1 类的定义和成员变量
// java.util.concurrent.CopyOnWriteArraySet 类的定义，继承自 AbstractSet 类并实现了 Set、Cloneable 和 Serializable 接口
public class CopyOnWriteArraySet<E> extends AbstractSet<E>
implements java.io.Serializable {
// 用于序列化和反序列化的版本号
private static final long serialVersionUID = 5457747651344034263L;
// 内部使用 CopyOnWriteArrayList 来存储元素
private final CopyOnWriteArrayList<E> al;
// 构造方法，创建一个空的 CopyOnWriteArraySet
public CopyOnWriteArraySet() {
// 初始化内部的 CopyOnWriteArrayList
al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
}
// 构造方法，使用指定集合的元素初始化 CopyOnWriteArraySet
public CopyOnWriteArraySet(Collection<? extends E> c) {
if (c.getClass() == CopyOnWriteArraySet.class) {
// 如果传入的集合是 CopyOnWriteArraySet 类型，直接使用其内部的 CopyOnWriteArrayList 进行初始化
@SuppressWarnings("unchecked") CopyOnWriteArraySet<E> cc =
(CopyOnWriteArraySet<E>)c;
al = new CopyOnWriteArrayList<E>(cc.al);
}
else {
// 否则，先创建一个空的 CopyOnWriteArrayList，再将集合中的元素添加进去
al = new CopyOnWriteArrayList<E>();
al.addAllAbsent(c);
}
}
}
在上述代码中，CopyOnWriteArraySet 类继承自 AbstractSet 类并实现了 Set、Cloneable 和 Serializable 接口，表明它具有集合的基本功能，支持克隆和序列化。al 是一个 CopyOnWriteArrayList 类型的成员变量，CopyOnWriteArraySet 内部使用 CopyOnWriteArrayList 来存储元素，这意味着 CopyOnWriteArraySet 的很多操作实际上是委托给 CopyOnWriteArrayList 来完成的。
构造方法提供了两种初始化方式，一种是创建一个空的 CopyOnWriteArraySet，另一种是使用指定集合的元素初始化 CopyOnWriteArraySet。如果传入的集合是 CopyOnWriteArraySet 类型，会直接使用其内部的 CopyOnWriteArrayList 进行初始化；否则，会先创建一个空的 CopyOnWriteArrayList，再将集合中的元素添加进去。
3.2 核心操作方法
3.2.1 添加元素（add 方法）
// 向集合中添加元素的方法
public boolean add(E e) {
// 调用内部 CopyOnWriteArrayList 的 addIfAbsent 方法，确保元素唯一
return al.addIfAbsent(e);
}
add 方法用于向 CopyOnWriteArraySet 中添加元素。它实际上调用了内部 CopyOnWriteArrayList 的 addIfAbsent 方法，该方法会先检查元素是否已经存在于集合中，如果不存在则添加该元素并返回 true，如果已经存在则不添加并返回 false，这样就保证了集合中元素的唯一性。
下面来看 CopyOnWriteArrayList 的 addIfAbsent 方法的源码：
// CopyOnWriteArrayList 类中的 addIfAbsent 方法
public boolean addIfAbsent(E e) {
// 获取当前数组
Object[] snapshot = getArray();
// 调用 indexOf 方法检查元素是否存在
return indexOf(e, snapshot, 0, snapshot.length) >= 0 ? false :
addIfAbsent(e, snapshot);
}
// 内部的 addIfAbsent 方法
private boolean addIfAbsent(E e, Object[] snapshot) {
// 获取可重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁，确保写操作的原子性
lock.lock();
try {
// 获取当前数组
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
// 检查快照是否与当前数组相同
if (snapshot != current) {
// Optimize for lost race to another addXXX operation
int common = Math.min(snapshot.length, len);
// 检查前缀部分是否相同
for (int i = 0; i < common; i++)
if (current[i] != snapshot[i] && eq(e, current[i]))
return false;
// 检查当前数组中是否已经存在该元素
if (indexOf(e, current, common, len) >= 0)
return false;
}
// 创建一个新的数组，长度比原数组大 1
Object[] newElements = Arrays.copyOf(current, len + 1);
// 将新元素添加到新数组的末尾
newElements[len] = e;
// 设置新数组为当前数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
addIfAbsent 方法首先获取当前数组的快照，然后调用 indexOf 方法检查元素是否已经存在于快照中。如果存在，则直接返回 false；如果不存在，则调用内部的 addIfAbsent 方法。
内部的 addIfAbsent 方法会先获取可重入锁，确保写操作的原子性。然后再次获取当前数组，检查快照是否与当前数组相同。如果不同，会重新检查元素是否已经存在于当前数组中。如果元素不存在，则创建一个新的数组，将原数组的元素复制到新数组中，并将新元素添加到新数组的末尾，最后设置新数组为当前数组，并返回 true。
3.2.2 删除元素（remove 方法）
// 从集合中删除指定元素的方法
public boolean remove(Object o) {
// 调用内部 CopyOnWriteArrayList 的 remove 方法
return al.remove(o);
}
remove 方法用于从 CopyOnWriteArraySet 中删除指定元素。它实际上调用了内部 CopyOnWriteArrayList 的 remove 方法。
下面来看 CopyOnWriteArrayList 的 remove 方法的源码：
// CopyOnWriteArrayList 类中的 remove 方法
public boolean remove(Object o) {
// 获取当前数组
Object[] snapshot = getArray();
// 查找元素的索引
int index = indexOf(o, snapshot, 0, snapshot.length);
// 如果元素不存在，返回 false
return (index < 0) ? false : remove(o, snapshot, index);
}
// 内部删除指定元素的方法
private boolean remove(Object o, Object[] snapshot, int index) {
// 获取可重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 加锁，确保写操作的原子性
lock.lock();
try {
// 获取当前数组
Object[] current = getArray();
int len = current.length;
// 检查快照是否与当前数组相同
if (snapshot != current) findIndex: {
// 计算搜索的起始位置
int prefix = Math.min(index, len);
// 检查前缀部分是否相同
for (int i = 0; i < prefix; i++) {
if (current[i] != snapshot[i] && eq(o, current[i])) {
// 如果找到元素，更新索引
index = i;
break findIndex;
}
}
// 如果索引超出当前数组长度，返回 false
if (index >= len)
return false;
// 如果当前位置的元素不等于要删除的元素
if (current[index] != o) {
// 重新查找元素的索引
index = indexOf(o, current, index, len);
// 如果元素不存在，返回 false
if (index < 0)
return false;
}
}
// 创建一个新数组，长度比原数组小 1
Object[] newElements = new Object[len - 1];
// 复制原数组中索引小于 index 的元素
System.arraycopy(current, 0, newElements, 0, index);
// 复制原数组中索引大于 index 的元素
System.arraycopy(current, index + 1, newElements, index,
len - index - 1);
// 设置新数组为当前数组
setArray(newElements);
// 返回删除成功的标志
return true;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
remove 方法首先获取当前数组的快照，然后调用 indexOf 方法查找元素的索引。如果元素不存在，则返回 false；如果存在，则调用内部的 remove 方法。
内部的 remove 方法会先获取可重入锁，确保写操作的原子性。然后再次获取当前数组，检查快照是否与当前数组相同。如果不同，会重新查找元素的索引。如果元素存在，则创建一个新数组，将原数组中除要删除元素之外的元素复制到新数组中，最后设置新数组为当前数组，并返回 true。
3.2.3 查找元素（contains 方法）
// 检查集合中是否包含指定元素的方法
public boolean contains(Object o) {
// 调用内部 CopyOnWriteArrayList 的 contains 方法
return al.contains(o);
}
contains 方法用于检查 CopyOnWriteArraySet 中是否包含指定元素。它实际上调用了内部 CopyOnWriteArrayList 的 contains 方法。
下面来看 CopyOnWriteArrayList 的 contains 方法的源码：
// CopyOnWriteArrayList 类中的 contains 方法
public boolean contains(Object o) {
// 获取当前数组
Object[] elements = getArray();
// 调用 indexOf 方法检查元素是否存在
return indexOf(o, elements, 0, elements.length) >= 0;
}
// 查找元素索引的方法
private static int indexOf(Object o, Object[] elements,
int index, int fence) {
if (o == null) {
// 如果元素为 null，遍历数组查找 null 元素
for (int i = index; i < fence; i++)
if (elements[i] == null)
return i;
} else {
// 如果元素不为 null，遍历数组查找相等的元素
for (int i = index; i < fence; i++)
if (o.equals(elements[i]))
return i;
}
// 未找到元素，返回 -1
return -1;
}
contains 方法首先获取当前数组，然后调用 indexOf 方法检查元素是否存在于数组中。如果存在，则返回 true；如果不存在，则返回 false。
indexOf 方法会根据元素是否为 null 进行不同的处理。如果元素为 null，则遍历数组查找 null 元素；如果元素不为 null，则遍历数组查找与该元素相等的元素。如果找到元素，则返回其索引；如果未找到，则返回 -1。
3.3 迭代器
// 返回一个迭代器的方法
public Iterator<E> iterator() {
// 调用内部 CopyOnWriteArrayList 的 iterator 方法
return al.iterator();
}
CopyOnWriteArraySet 的 iterator 方法返回一个迭代器，它实际上调用了内部 CopyOnWriteArrayList 的 iterator 方法。
下面来看 CopyOnWriteArrayList 的 iterator 方法的源码：
// CopyOnWriteArrayList 类中的 iterator 方法
public Iterator<E> iterator() {
// 创建一个 COWIterator 迭代器实例
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
// COWIterator 迭代器类
static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
// 存储迭代器创建时的数组快照
private final Object[] snapshot;
// 当前迭代的索引
private int cursor;
// 构造方法，初始化迭代器
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
// 初始化索引
cursor = initialCursor;
// 存储数组快照
snapshot = elements;
}
// 判断是否还有下一个元素的方法
public boolean hasNext() {
// 判断索引是否小于数组长度
return cursor < snapshot.length;
}
// 获取下一个元素的方法
public E next() {
// 检查是否还有下一个元素
if (! hasNext())
// 若没有，抛出 NoSuchElementException 异常
throw new NoSuchElementException();
// 返回当前索引的元素，并将索引加 1
return (E) snapshot[cursor++];
}
// 判断是否还有上一个元素的方法
public boolean hasPrevious() {
// 判断索引是否大于 0
return cursor > 0;
}
// 获取上一个元素的方法
public E previous() {
// 检查是否还有上一个元素
if (! hasPrevious())
// 若没有，抛出 NoSuchElementException 异常
throw new NoSuchElementException();
// 返回当前索引减 1 的元素，并将索引减 1
return (E) snapshot[--cursor];
}
// 获取下一个元素的索引的方法
public int nextIndex() {
// 返回当前索引
return cursor;
}
// 获取上一个元素的索引的方法
public int previousIndex() {
// 返回当前索引减 1
return cursor - 1;
}
// 移除当前元素的方法，不支持
public void remove() {
// 抛出 UnsupportedOperationException 异常
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 设置当前元素的方法，不支持
public void set(E e) {
// 抛出 UnsupportedOperationException 异常
throw new UnsupportedOperationException();
}
// 添加元素的方法，不支持
public void add(E e) {
// 抛出 UnsupportedOperationException 异常
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
CopyOnWriteArrayList 的迭代器是 COWIterator，它是一个弱一致性的迭代器。迭代器创建时会存储当前数组的快照，在迭代过程中不会反映其他线程对集合的修改。迭代器的 next、previous 等方法直接操作快照数组，因此不会受到其他线程写操作的影响。同时，迭代器的 remove、set 和 add 方法都不支持，因为这些操作可能会破坏快照的一致性。
3.4 并发控制机制
CopyOnWriteArraySet 的并发控制主要基于其内部的 CopyOnWriteArrayList，而 CopyOnWriteArrayList 的并发控制主要基于可重入锁 ReentrantLock 和 volatile 关键字。
- 可重入锁
ReentrantLock：在写操作（如add、remove等）时，会先获取可重入锁，确保写操作的原子性。同一时间只有一个线程可以获取锁并进行写操作，其他线程需要等待锁的释放。 volatile关键字：CopyOnWriteArrayList中的array数组使用volatile关键字修饰，保证了数组的可见性。当一个线程修改了数组的引用（即设置了新的数组），其他线程会立即看到这个修改。
四、CopyOnWriteArraySet 的性能分析
4.1 时间复杂度分析
- 添加元素（add 方法）：时间复杂度为 O(n)，因为需要检查元素是否已经存在于集合中，最坏情况下需要遍历整个数组。在写操作时还需要复制原数组，因此整体时间复杂度为 O(n)。
- 删除元素（remove 方法）：时间复杂度为 O(n)，因为需要查找元素的索引，最坏情况下需要遍历整个数组。在写操作时还需要复制原数组，因此整体时间复杂度为 O(n)。
- 查找元素（contains 方法）：时间复杂度为 O(n)，因为需要遍历数组查找元素，最坏情况下需要遍历整个数组。
- 迭代操作：时间复杂度为 O(n)，因为需要遍历整个数组。
4.2 空间复杂度分析
CopyOnWriteArraySet 的空间复杂度为 O(n)，其中 n 是集合中元素的数量。在写操作时，会创建一个原数组的副本，因此会额外占用 O(n) 的空间。
4.3 性能特点总结
- 读操作性能高：读操作（如
contains、iterator等）不需要加锁，可以无锁地并发执行，因此读操作的性能非常高。 - 写操作性能低：写操作（如
add、remove等）需要检查元素是否存在、复制原数组，会带来一定的内存开销和时间开销，因此写操作的性能相对较低。
五、CopyOnWriteArraySet 与其他集合实现的比较
5.1 与 HashSet 的比较
- 线程安全机制：
HashSet是非线程安全的，在多线程环境下需要额外的同步机制来保证线程安全。而CopyOnWriteArraySet是线程安全的，不需要额外的同步操作。 - 性能差异：在读多写少的场景下，
CopyOnWriteArraySet的读操作性能优于HashSet，因为CopyOnWriteArraySet的读操作无锁。但在写操作频繁的场景下，HashSet的性能可能更好，因为CopyOnWriteArraySet的写操作需要复制数组，会带来较大的开销。 - 元素存储顺序：
HashSet不保证元素的存储顺序，而CopyOnWriteArraySet会按照元素添加的顺序存储元素。
5.2 与 ConcurrentSkipListSet 的比较
- 元素排序：
ConcurrentSkipListSet是一个有序集合，它会根据元素的自然顺序或指定的比较器对元素进行排序。而CopyOnWriteArraySet不保证元素的顺序，只保证元素的唯一性。 - 性能差异：在读多写少的场景下，
CopyOnWriteArraySet的读操作性能可能更好，因为它的读操作无锁。但在需要有序集合的场景下，ConcurrentSkipListSet更适合，因为它可以提供有序的元素遍历。
六、CopyOnWriteArraySet 的使用注意事项
6.1 内存开销
由于 CopyOnWriteArraySet 在写操作时会创建一个原数组的副本，因此会带来一定的内存开销。在内存资源有限的情况下，需要谨慎使用。特别是在频繁进行写操作的场景下，可能会导致内存占用过高。
6.2 弱一致性
CopyOnWriteArraySet 的迭代器是弱一致性的，即迭代器创建时会基于当时的数组状态，在迭代过程中如果其他线程对集合进行了修改，迭代器不会反映这些修改。因此，在使用迭代器时需要注意数据的一致性问题。
6.3 适用场景
CopyOnWriteArraySet 适用于读多写少的场景，如配置信息存储、事件监听器集合等。在写操作频繁的场景下，不建议使用 CopyOnWriteArraySet，可以考虑使用其他线程安全的数据结构。
七、总结与展望
7.1 总结
CopyOnWriteArraySet 是 Java 并发包中一个独特的线程安全集合实现，它采用写时复制的机制，在多线程环境下提供了高效的读操作性能。通过源码分析，我们了解了它的内部实现原理，包括构造方法、核心操作方法、迭代器和并发控制机制。
CopyOnWriteArraySet 的核心思想是在写操作时创建一个原数组的副本，在副本上进行修改，修改完成后再将副本替换原数组。读操作可以直接在原数组上进行，无需加锁，从而提高了读操作的并发性能。但写操作需要复制数组，会带来一定的内存开销和时间开销，因此适用于读多写少的场景。
与其他集合实现（如 HashSet 和 ConcurrentSkipListSet）相比，CopyOnWriteArraySet 在不同的场景下具有不同的性能特点。在选择使用时，需要根据具体的业务需求和场景进行权衡。
7.2 展望
7.2.1 性能优化
虽然 CopyOnWriteArraySet 在读多写少的场景下具有较好的性能，但在写操作频繁的场景下，其性能仍然有待提高。未来可以研究如何减少写操作时的数组复制开销，例如采用增量复制的方式，只复制发生变化的部分。
7.2.2 功能扩展
可以为 CopyOnWriteArraySet 添加更多的功能，如支持批量操作、提供更丰富的迭代器接口等。同时，可以考虑将 CopyOnWriteArraySet 与其他数据结构进行结合，实现更复杂的功能。
7.2.3 应用场景拓展
随着计算机技术的不断发展，CopyOnWriteArraySet 的应用场景也将不断拓展。例如，在大数据、分布式系统等领域，需要处理大量的并发数据，CopyOnWriteArraySet 可以作为一种高效的数据存储和处理结构，为这些领域的应用提供支持。
总之，CopyOnWriteArraySet 是一个非常有价值的数据结构，通过不断的研究和优化，它将能够更好地满足各种复杂的应用需求。
以上文章通过对 CopyOnWriteArraySet 源码的深入剖析，详细介绍了其使用原理，涵盖了构造方法、核心操作方法、迭代器、并发控制机制等方面。同时，对其性能特点、与其他集合实现的比较以及使用注意事项进行了讨论，并对其未来发展进行了展望。希望这篇文章能帮助你全面理解 CopyOnWriteArraySet 的使用原理。如果你对文章还有其他要求或需要进一步探讨的内容，欢迎随时告诉我。
