Java 集合以 ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet 和 HashMap 等组件为核心，构筑了强大而灵活的数据结构体系。这些组件精心设计以满足不同的性能和功能需求，如 ArrayList 的动态数组支持快速随机访问，而 LinkedList 的双向链表结构则擅长于频繁的插入和删除操作。HashSet 基于哈希表提供高效的元素查找，TreeSet 则通过红黑树维持元素排序。对于多线程环境，CopyOnWriteArraySet 和 ConcurrentHashMap 等并发集合保证了线程安全，同时优化了读写性能。这些设计精妙的组件，不仅提升了数据处理的效率，也简化了复杂问题的解决方案，了解他的设计就掌握了他的原理，本篇注重设计。
1、JDK集合数据结构范围
1.1. 列表（List）
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- ArrayList: 基于动态数组实现，支持快速随机访问。
- LinkedList: 基于双向链表实现，适合频繁的插入和删除操作。
- CopyOnWriteArrayList: 线程安全的变体，写操作时复制数组。
1.2. 集合（Set）
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- HashSet: 基于 HashMap 实现，保证元素唯一性。
- LinkedHashSet: 哈希表和链表实现，维护元素插入顺序。
- TreeSet: 基于红黑树，元素处于排序状态。
- CopyOnWriteArraySet: 线程安全的变体，写操作时复制数组。
1.3. 队列（Queue）
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- LinkedListQueue (作为队列使用时): 支持先进先出（FIFO）。
- ArrayDeque: 双端队列，支持快速插入和删除。
- PriorityQueue: 支持优先级排序的队列。
- ConcurrentLinkedQueue: 线程安全的无界队列。
- BlockingQueue: 支持阻塞操作的队列接口，具体实现包括：
ArrayBlockingQueue: 有界阻塞队列。
LinkedBlockingQueue: 基于链表结构的阻塞队列。
PriorityBlockingQueue: 具有优先级的阻塞队列。
SynchronousQueue: 不存储元素的阻塞队列，主要用于任务窃取。
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1.4. 双端队列（Deque）
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- ArrayDeque: 基于动态数组，实现双向队列。
- LinkedList (作为双端队列使用时): 基于链表，实现双向队列。
1.5. 映射（Map）
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- HashMap: 基于哈希表，存储键值对。
- LinkedHashMap: 哈希表加链表，维护插入顺序。
- TreeMap: 基于红黑树，键处于排序状态。
- Hashtable: 古老的 Map 实现，线程安全。
- ConcurrentHashMap: 线程安全的 HashMap 实现。
- ConcurrentSkipListMap: 线程安全的 TreeMap 实现。
- IdentityHashMap: 使用 == 比较键的身份，而不是使用 equals() 方法。
- WeakHashMap: 键是弱引用，适合缓存使用。
1.6. 其他
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- Vector: 古老的动态数组实现，线程安全。
- Stack: 古老的栈实现，可以使用 Vector 或 Deque 实现。
- Properties: 用于处理配置文件的集合类。
2、集合数据结构设计与分析
2.1 ArrayList
ArrayList 是 Java 集合框架中的一个非常核心的类，实现了 List 接口。以下是 ArrayList 的设计：
设计思考：
- 需求场景：
在许多编程任务中，需要一个能够动态增长和收缩的数组。例如，在实现数据集合、缓冲区管理、实现其他数据结构（如栈、队列）等场景中，动态数组是非常有用的。
- 现有技术局限性：
传统的数组类型在 Java 中是固定长度的，一旦创建，其大小不能改变，这限制了其在需要动态大小管理时的使用。
技术融合：
ArrayList 融合了动态数组的概念，提供了一个能够根据需要自动调整大小的数组。
设计理念：
ArrayList 提供了一个能够根据添加元素的数量动态增长的数组，同时保持了随机访问的能力，使其在执行索引位置的查找时非常高效。
实现方式：
ArrayList 内部使用一个可变大小的数组（默认为空，随着元素添加自动扩容）来存储元素，当数组容量不足以容纳更多元素时，会自动创建一个更大的新数组，并将旧数组中的元素复制到新数组中。
2.1.1 数据结构
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图说明：
- ArrayList:
Java 集合框架中的一个类，实现了 List 接口。
- Object[] elementData:
ArrayList 内部使用一个动态数组来存储元素，这个数组的类型是 Object[]，可以存储任何类型的对象。
当数组容量不足以存储更多元素时， ArrayList 会自动进行扩容，通常是将数组大小增加到原来的1.5倍。
int size:
表示 ArrayList 中实际存储的元素数量。
size 与 elementData 数组的 length 属性不同， length 表示数组的总容量，而 size 表示当前存储的元素个数。
2.1.2 执行流程
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图说明：
- 初始化 ArrayList:
创建一个空的 ArrayList 或指定初始容量的 ArrayList。
- 检查容量:
在添加元素前，检查当前数组容量是否足够。
添加元素:
尝试将新元素添加到 ArrayList。
容量不足:
如果当前容量不足以容纳新元素，进入扩容流程。
扩容:
创建一个新的数组，容量通常是原数组的1.5倍。
复制旧数组到新数组:
将旧数组中的所有元素复制到新数组中。
增加新元素:
在新数组中插入新元素。
获取元素:
根据索引获取元素。
索引检查:
检查索引是否在有效范围内。
返回元素:
返回指定索引处的元素。
删除元素:
删除 ArrayList 中的指定元素。
移除指定索引元素:
将指定索引处的元素移除。
数组元素向前移动:
将移除元素之后的元素向前移动一位，填补空位。
2.2 LinkedList
LinkedList 在 Java 中是基于双向链表实现的，它包含多个节点，每个节点都包含数据和两个引用，分别指向前一个节点和后一个节点。以下是 LinkedList 的设计：
设计思考：
- 需求场景：
在许多编程任务中，需要一个可以快速进行插入和删除操作的动态数组。例如，在实现栈、队列、双向队列等数据结构时，这些操作非常常见。
- 现有技术局限性：
ArrayList 提供了快速的随机访问能力，但在进行插入和删除操作时，可能需要移动数组中的大量元素，导致效率低下。
Vector 类似于 ArrayList，但它是线程安全的，但使用 synchronized 进行同步，导致并发性能较差。
技术融合：
LinkedList 结合了链表的插入和删除效率高的特点，并提供了双向链表的实现，允许从两端快速地添加或移除元素。
设计理念：
LinkedList 通过使用链表结构，可以有效地进行插入和删除操作，因为这些操作仅需要改变节点的指针，而不需要移动整个数组。
它还实现了 List 接口，提供了与 ArrayList 相同的接口，但具有不同的性能特性。
实现方式：
LinkedList 由一系列 Node 对象组成，每个 Node 包含数据和两个引用（ previous 和 next），分别指向前一个和后一个节点。
2.2.1 数据结构
以下是 LinkedList 数据结构的主要特点：
- 链式存储：元素在内存中不是连续存储的，而是通过指针（引用）连接起来的。
- 节点结构：每个节点至少包含两部分信息，一个是存储数据的元素，另一个是指向同链表中下一个节点的引用。在双向链表中，还会有一个指向前一个节点的引用。
- 动态大小： LinkedList 的大小是动态的，可以根据需要随时插入或删除节点。
- 允许空链表：可以创建一个不包含任何节点的空链表。
- 插入和删除效率高：在链表的任意位置插入或删除节点的操作时间复杂度为 O(1)，因为这些操作只涉及到节点的引用的改动。
- 访问元素效率低：访问特定索引位置的元素需要从头节点开始遍历链表，时间复杂度为 O(n)。
- 没有空间浪费：与数组不同，链表不需要预先分配固定大小的存储空间。
- 有序性：链表中的节点按照它们被插入的顺序保持有序。
- 可以实现为双向或循环链表：标准的 LinkedList 实现可以是双向的，也可以是循环的（尾节点指向头节点）。
2.2.1 执行流程
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图说明：
- 初始化 LinkedList:
创建一个空的 LinkedList 实例。
- 添加元素:
将新元素添加到 LinkedList。
删除元素:
从 LinkedList 删除指定的元素。
访问元素:
根据索引访问 LinkedList 中的元素。
遍历 LinkedList:
通过节点间的链接顺序遍历整个 LinkedList。
检查边界条件:
在执行索引相关操作前，检查索引是否在有效范围内。
获取节点:
获取指定索引处的节点。
更新节点指针:
在添加或删除元素时，更新节点间的指针。
返回节点数据:
返回指定节点的数据。
LinkedList 节点:
LinkedList 由一系列节点组成，每个节点包含前一个节点、后一个节点和节点数据。
Node prev:
节点中保存的对前一个节点的引用。
Node next:
节点中保存的对后一个节点的引用。
Node data:
节点中保存的数据。
2.3 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。
2.3.1 数据结构
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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。
2.3.2 执行流程
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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。
2.4 HashSet
HashSet 是 Java 集合框架中的一个基本成员，它是 java.util 包下的一个非常常用的集合类。以下是 HashSet 的设计：
设计思考：
- 需求场景：
在很多应用场景中，需要存储不重复的元素，并且需要快速地添加、删除和查找元素。
例如，在处理配置选项、用户权限、邮件地址列表等场景时，确保元素的唯一性是非常重要的。
- 现有技术局限性：
ArrayList 和 LinkedList 虽然可以存储元素，但它们需要线性时间来查找元素，且不保证元素的唯一性。
技术融合：
HashSet 基于 HashMap 实现，它结合了哈希表的快速查找特性来提供常数时间复杂度的添加、删除和查找操作，同时保证了元素的唯一性。
设计理念：
HashSet 提供了一个不允许重复元素的数据结构，它使用哈希表的键来存储元素，而不关心值。
这种设计使得 HashSet 在保证元素唯一性的同时，提供了高效的操作性能。
实现方式：
HashSet 的每个元素都作为 HashMap 的一个键存储，而对应的值是一个固定的对象（通常是一个名为 PRESENT 的私有静态对象）。
2.4.1 数据结构
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图说明：
- HashSet:
表示 HashSet 类的实例，用于存储不重复的元素。
- HashMap:
HashSet 的内部实现基于 HashMap。
数组 (Buckets) :
HashMap 使用一个数组来存储桶（Buckets），桶是用于存储 Entry 对象的容器。
索引1, 索引2, 索引3:
表示数组中的具体索引位置，每个索引对应一个桶。
Entry (链表/红黑树) :
每个桶可以包含多个 Entry 对象，它们通过链表或红黑树形式连接。
链表 Entry:
在哈希冲突较少的情况下， Entry 对象通过链表连接。
红黑树 Entry:
当链表长度超过阈值时，链表可能会被转换成红黑树以提高搜索效率。
2.4.2 执行流程
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图说明：
- 创建 HashSet 实例:
初始化 HashSet 对象。
- 添加元素:
将元素添加到 HashSet。
计算元素的hashCode:
调用元素的 hashCode() 方法计算其哈希码。
确定数组索引位置:
根据哈希码和数组长度确定数组索引位置。
处理哈希冲突:
如果索引位置已有元素，处理哈希冲突。
元素添加至链表/红黑树:
将新元素添加至对应索引的链表或红黑树中。
删除元素:
从 HashSet 删除元素。
计算元素的hashCode:
调用元素的 hashCode() 方法计算其哈希码。
确定数组索引位置:
根据哈希码和数组长度确定数组索引位置。
找到对应的哈希桶:
定位到数组中对应的哈希桶。
从链表/红黑树中删除元素:
从对应索引的链表或红黑树中删除元素。
遍历 HashSet:
遍历 HashSet 中的所有元素。
获取数组:
获取 HashSet 内部的数组。
遍历每个桶:
遍历数组的每个桶。
遍历链表/红黑树:
遍历桶内的链表或红黑树中的所有元素。
2.5 LinkedHashSet
LinkedHashSet 是 Java 集合框架中的一个成员，它结合了 HashSet 的快速查找特性和 LinkedList 的插入顺序保持功能。以下是 LinkedHashSet 的设计：
设计思考：
- 需求场景：
在很多应用场景中，需要快速地插入、删除和查找元素，同时也需要保持元素的插入顺序。
例如，在处理用户会话、缓存实现、任务调度等场景时，保持元素的添加顺序是非常重要的。
- 现有技术局限性：
HashSet 提供了常数时间的添加、删除和查找性能，但它不保持元素的插入顺序。
TreeSet 保持了元素的排序顺序，但不是插入顺序，且它的性能不如 HashSet。
ArrayList 和 LinkedList 保持了插入顺序，但它们的查找性能为线性时间复杂度。
技术融合：
为了结合 HashSet 的快速查找能力和 LinkedList 的插入顺序保持能力， LinkedHashSet 应运而生。
设计理念：
LinkedHashSet 底层使用 HashMap 来存储元素，保证了快速的查找性能。
同时，它在每个 HashMap 的条目上使用一个双向链表来维护元素的插入顺序。
实现方式：
LinkedHashSet 继承自 HashSet，但重写了 add、 iterator 等方法，以维护插入顺序。
它在内部维护了与 HashMap 条目关联的双向链表的节点，这些节点链接了具有相同哈希值但插入顺序不同的元素。
2.5.1 数据结构
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图说明：
- LinkedHashSet:
表示 LinkedHashSet 类的实例，它继承自 HashSet 并维护元素的插入顺序。
- HashMap:
LinkedHashSet 的实现基于 HashMap，用来存储集合中的元素。
数组 (Buckets) :
HashMap 使用一个数组来存储桶（Buckets），桶是用于存储 Entry 对象的容器。
哈希桶:
每个桶内部使用链表来解决哈希冲突。
链表 Entry:
每个桶包含多个 Entry 对象，它们通过链表连接。
红黑树 Entry:
当链表长度超过阈值时，链表可能会被转换成红黑树以提高搜索效率。
链表 节点1 和 链表 节点2:
表示链表中的节点，每个节点存储着集合中的一个元素，并指向前一个和后一个节点，形成双向链表。
元素:
存储在 LinkedHashSet 中的最终数据。
2.5.2 执行流程
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图说明：
- 创建 LinkedHashSet 实例:
初始化 LinkedHashSet 对象。
- 添加元素:
将元素添加到 LinkedHashSet。
计算元素的hashCode:
调用元素的 hashCode() 方法计算其哈希码。
确定数组索引位置:
根据哈希码和数组长度确定数组索引位置。
找到对应的哈希桶:
定位到数组中对应的哈希桶。
检查哈希桶中的链表/红黑树:
检查哈希桶中是否已有链表或红黑树结构。
处理哈希冲突:
如果桶中已有元素，处理哈希冲突。
元素添加至链表/红黑树:
将新元素添加至对应索引的链表或红黑树中。
删除元素:
从 LinkedHashSet 删除元素。
重新计算元素的hashCode:
调用元素的 hashCode() 方法计算其哈希码。
确定删除元素的数组索引位置:
根据哈希码和数组长度确定数组索引位置。
找到删除元素的哈希桶:
定位到数组中对应的哈希桶。
从链表/红黑树中删除元素:
从对应索引的链表或红黑树中删除元素。
遍历 LinkedHashSet:
遍历 LinkedHashSet 中的所有元素。
获取数组:
获取 LinkedHashSet 内部的数组。
遍历每个桶:
遍历数组的每个桶。
遍历链表/红黑树:
遍历桶内的链表或红黑树中的所有元素。
读取元素:
读取链表或红黑树中的元素。
2.6 TreeSet
TreeSet 是 Java 集合框架中的一个有序集合类，实现了 Set 接口。以下是 TreeSet 的设计：
设计思考：
- 需求场景：
在许多编程任务中，需要存储不重复的元素，并且这些元素需要保持一定的顺序，例如，自然排序或自定义排序顺序。
例如，在处理需要排序的配置选项、用户权限、需要按顺序处理的任务列表等场景时，元素的排序顺序是非常重要的。
- 现有技术局限性：
HashSet 提供了非常快的查找、添加和删除操作，但它不保证元素的任何特定顺序。
ArrayList 和 LinkedList 可以保持插入顺序，但查找操作需要线性时间。
技术融合：
TreeSet 结合了 HashSet 的快速查找特性和 ArrayList/ LinkedList 的元素顺序保持功能，但通过使用红黑树（一种自平衡的二叉搜索树）实现，提供了有序的元素集合。
设计理念：
TreeSet 提供了一个不允许重复元素的数据结构，同时保证了元素处于排序状态，可以进行有效的范围查询和排序操作。
实现方式：
TreeSet 内部使用 TreeMap 的实例来存储元素，其中元素作为键，值是一个固定的虚拟对象（如 PRESENT），从而保证了元素的唯一性。
2.6.1 数据结构
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图说明：
- TreeSet:
表示 TreeSet 类的实例，它实现了 Set 接口，并保证元素处于排序状态。
- TreeMap:
TreeSet 基于 TreeMap 实现，其中元素作为键存储，而不关心值。
红黑树:
TreeMap 的底层数据结构是一个红黑树，它是一个自平衡的二叉搜索树。
根节点:
红黑树的根节点，是树的入口。
左子节点和右子节点:
表示红黑树节点的子节点。
元素A, 元素B, 元素C:
实际存储在 TreeSet 中的数据。
2.6.2 执行流程
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图说明：
- 添加元素：
计算元素的自然排序：根据元素的自然顺序或提供的 Comparator 计算排序。
构建红黑树：TreeSet 基于红黑树数据结构，确保元素处于排序状态。
确定插入位置：在红黑树中找到元素的插入位置。
插入元素到红黑树：将元素插入到红黑树中。
- 删除元素：
计算元素的自然排序：根据元素的自然顺序或提供的 Comparator 计算排序。
查找红黑树：在红黑树中查找要删除的元素。
删除元素从红黑树：从红黑树中删除元素。
遍历 TreeSet：
获取红黑树根节点：获取红黑树的根节点，开始遍历。
遍历红黑树节点：遍历红黑树的每个节点。
读取元素：从红黑树的节点中读取元素。
2.7 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：
- 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。
- 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。
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。
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。
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。
2.7.1 数据结构
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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。
2.7.1 执行流程
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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。
