并发编程 | 并发工具类 - 并发容器

引言

并发编程是一个令人兴奋且充满挑战的领域。理解并发编程的原理和其使用的数据结构可以帮助我们更好地编写高性能的并发程序。在Java中，我们有一套并发工具包，即 java.util.concurrent（JUC），它提供了一系列并发容器类，这些类在处理多线程编程问题时起着至关重要的作用。在这篇文章中，我们将深入探索其中的一些关键容器，并揭示其背后的工作原理。

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入门 | JUC并发容器概述

并发容器的必要性

在Java并发编程中，对共享资源的操作必须是线程安全的。传统的集合类，如ArrayList、HashMap等，不是线程安全的，需要通过外部同步来保证线程安全。然而，外部同步通常涉及到的是粗粒度的锁定，可能会导致线程竞争，降低系统的并发性能。

为了解决这个问题，Java提供了一套并发包（java.util.concurrent，简称JUC），其中包含了一些线程安全的集合类，也被称为并发容器。这些并发容器采用了一些高效的并发策略，例如ConcurrentHashMap的锁分段技术、CopyOnWriteArrayList的写时复制策略等，以提高在多线程环境下的性能。

Java并发包有哪些？

Java并发包（java.util.concurrent）是从Java 5开始引入的，它包含了一系列用于并发编程的工具类，例如线程池、计数器、并发集合等。其中，用于并发编程的集合类被称为并发容器。
并发容器主要包括以下几类：

• 并发集合：如ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap等
• 并发队列：如ConcurrentLinkedQueue、BlockingQueue等
• 并发Set：如CopyOnWriteArraySet等
• 并发List：如CopyOnWriteArrayList等

接下来，我们将逐一介绍这些并发容器的内部实现原理，并且通过一些示例来展示如何在实际编程中使用它们。

并发容器真的太多了， 我挑一些常用的为你讲解。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 的基本概念与结构

ConcurrentHashMap是一个线程安全的哈希表。在JDK1.8之后的版本中，ConcurrentHashMap摒弃了旧版本中的Segment分段锁设计，而是采用了Node数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并且引入了更为高效的CAS无锁机制和synchronized同步块来进一步提升并发性能。

ConcurrentHashMap 的使用

ConcurrentHashMap的API与HashMap类似，提供了丰富的键值对操作，例如put、get、remove等。以下是一段使用ConcurrentHashMap的代码示例：

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("one", 1);
map.put("two", 2);
map.put("three", 3);

Integer value = map.get("two");  // returns 2

在这个例子中，我们首先创建了一个ConcurrentHashMap实例，然后向其中添加了三个键值对。由于ConcurrentHashMap是线程安全的，所以我们可以在多线程环境下安全地对它进行读写操作。

ConcurrentHashMap 的工作原理与源码分析

在深入了解ConcurrentHashMap的工作原理之前，我们首先要了解一下CAS无锁机制和synchronized同步块。

CAS（Compare and Swap）无锁机制，是一种基于硬件的原子性操作，它可以保证共享数据的并发操作的线程安全。在ConcurrentHashMap中，CAS被用于实现无锁的读操作和高效的写操作。

synchronized同步块是Java提供的一种内置锁机制，它可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行synchronized同步块中的代码。在ConcurrentHashMap中，synchronized同步块被用于保护数据结构的一致性，例如在扩容操作中，需要通过synchronized同

步块来保证只有一个线程可以执行扩容操作。

ConcurrentHashMap的内部结构由一个Node数组和多个链表组成。每个链表对应一个哈希桶，每个哈希桶可以包含多个键值对。这种设计使得ConcurrentHashMap可以在高并发环境下提供较高的查询效率。

当键值对的数量增加到一定程度时，链表会转换为红黑树，这样可以进一步提高查询效率。当键值对的数量减少到一定程度时，红黑树会转换回链表，以节省空间。

在ConcurrentHashMap中，读操作是完全无锁的，写操作是部分锁定的。在进行写操作时，只有被修改的那部分会被锁定，其他部分仍然可以被并发读写，这大大提高了并发性能。

ConcurrentHashMap 相关面试题

以下是一些关于ConcurrentHashMap的常见面试题：

1. ConcurrentHashMap和HashMap有什么区别？
2. ConcurrentHashMap如何保证线程安全？
3. ConcurrentHashMap在JDK1.8中有什么改进？

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CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 的基本概念与结构

CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的List，它通过“写时复制”（Copy-On-Write）的策略来保证并发安全。当对CopyOnWriteArrayList进行修改操作（如add、set等）时，它会先复制一份数据，然后在新的数据上进行修改，最后再把原来的数据替换成新的数据。这种策略可以保证在写操作进行时，读操作不会被阻塞，从而实现读写分离。

CopyOnWriteArrayList 的使用

CopyOnWriteArrayList的API与ArrayList类似，提供了丰富的元素操作，例如add、get、remove等。以下是一段使用CopyOnWriteArrayList的代码示例：

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("one");
list.add("two");
list.add("three");

String value = list.get(1);  // returns "two"

在这个例子中，我们首先创建了一个CopyOnWriteArrayList实例，然后向其中添加了三个元素。由于CopyOnWriteArrayList是线程安全的，所以我们可以在多线程环境下安全地对它进行读写操作。

CopyOnWriteArrayList 的工作原理与源码分析

CopyOnWriteArrayList内部主要是通过一个volatile数组和一个ReentrantLock锁来实现的。volatile数组保证了数组的可见性，ReentrantLock锁保证了数组的原子性操作。

当执行add、set等写操作时，CopyOnWriteArrayList会先获取锁，然后复制一份新的数组，接着在新数组上进行修改，最后将volatile数组引用指向新的数组，然后释放锁。

由于每次修改都会创建一个新的数组，所以CopyOnWriteArrayList的写操作性能比较低，不适合数据修改操作频繁的场景。然而，由于读操作完全无锁，所以CopyOnWriteArrayList在读操作远多于写操作的场景下性能较好，例如事件监听器列表等。

CopyOnWriteArrayList 相关面试题

以下是一些关于CopyOnWriteArrayList的常见面试题：

1. CopyOnWriteArrayList和ArrayList有什么区别？
2. CopyOnWriteArrayList的写时复制策略是怎样的？
3. CopyOnWriteArrayList如何保证线程安全？
4. CopyOnWriteArrayList适用于哪些场景？

ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 的基本概念与结构

ConcurrentLinkedQueue是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它按照FIFO（先进先出）的原则对元素进行排序。ConcurrentLinkedQueue使用CAS操作来保证元素的并发插入和删除操作。

ConcurrentLinkedQueue 的使用

ConcurrentLinkedQueue的API包括offer、poll、peek等操作，用于向队列中添加元素、移除元素和查看元素。以下是一段使用ConcurrentLinkedQueue的代码示例：

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.offer("one");
queue.offer("two");
queue.offer("three");

String value = queue.poll();  // returns "one"

在这个例子中，我们首先创建了一个ConcurrentLinkedQueue实例，然后向其中添加了三个元素。由于ConcurrentLinkedQueue是线程安全的，所以我们可以在多线程环境下安全地对它进行读写操作。

ConcurrentLinkedQueue 的工作原理与源码分析

ConcurrentLinkedQueue内部是通过一个链表实现的，链表的节点Node包含一个item元素和一个next指针。添加元素（offer操作）是在链表的尾部添加节点，移除元素（poll操作）是移除链表的头部节点。

在添加和移除元素时，ConcurrentLinkedQueue使用CAS操作来保证线程安全。例如，在添加元素时，ConcurrentLinkedQueue会找到链表的尾部节点，然后通过CAS操作把尾部节点的next指针指向新的节点；在移除元素时，`Con

currentLinkedQueue`会通过CAS操作把链表的头指针指向第二个节点。

由于ConcurrentLinkedQueue的所有操作都是无锁的，所以它的并发性能非常高，适合在高并发环境下使用。

ConcurrentLinkedQueue 相关面试题

以下是一些关于ConcurrentLinkedQueue的常见面试题：

1. ConcurrentLinkedQueue和LinkedList有什么区别？
2. ConcurrentLinkedQueue如何实现线程安全？
3. 为什么说ConcurrentLinkedQueue是无界的？
4. ConcurrentLinkedQueue适用于哪些场景？

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ConcurrentSkipListMap

ConcurrentSkipListMap 的基本概念与结构

ConcurrentSkipListMap是一种并发线程安全的有序映射。在ConcurrentSkipListMap中，元素是根据其键的自然顺序进行排序的。它的内部实现是基于跳表（Skip List）的数据结构。

跳表是一种可以在平均 log(n) 时间复杂度内完成查找、插入和删除操作的数据结构。在跳表中，元素被存储在多级索引中，每一级索引都是一个有序链表。在查找元素时，可以在高级索引中快速定位，然后逐级下降，直到找到目标元素。

ConcurrentSkipListMap 的使用

ConcurrentSkipListMap 的API包括 put、get、remove 等操作，用于向映射中添加键值对、获取键对应的值和移除键值对。以下是一段使用 ConcurrentSkipListMap 的代码示例：

ConcurrentSkipListMap<String, Integer> map = new ConcurrentSkipListMap<>();
map.put("one", 1);
map.put("two", 2);
map.put("three", 3);

int value = map.get("two");  // returns 2

在这个例子中，我们首先创建了一个 ConcurrentSkipListMap 实例，然后向其中添加了三个键值对。由于 ConcurrentSkipListMap 是线程安全的，所以我们可以在多线程环境下安全地对它进行读写操作。

ConcurrentSkipListMap 的工作原理与源码分析

ConcurrentSkipListMap 的内部主要是通过一个跳表实现的。跳表中的每个节点都包含一个键值对和一个表示下一个节点的引用。在添加、删除或查找元素时，ConcurrentSkipListMap 会在跳表中进行搜索，并使用 CAS 操作来保证线程安全。

由于跳表的特性，ConcurrentSkipListMap 的大部分操作的时间复杂度都是 O(log n)，并且具有较好的并发性能。然而，由于其内部需要维护多级索引，所以空间复杂度较高。

ConcurrentSkipListMap 相关面试题

以下是一些关于 ConcurrentSkipListMap 的常见面试题：

1. ConcurrentSkipListMap 和 TreeMap 有什么区别？
2. ConcurrentSkipListMap 是如何实现线程安全的？
3. 跳表是什么？ConcurrentSkipListMap 是如何利用跳表实现的？
4. ConcurrentSkipListMap 适用于哪些场景？

其他并发容器

除了上述几个并发容器外，Java 并发包还提供了其他一些并发容器，例如 LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue、SynchronousQueue 等。
LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue 是两种基于数组的线程安全队列，它们都支持阻塞操作，适合用于生产者-消费者模型。
SynchronousQueue 是一个特殊的队列，它没有任何内部容量，每个插入操作都必须等待相应的删除操作，反之亦然。因此，SynchronousQueue 主要用于传递事件。

使用并发容器的注意事项

在使用并发容器时，有一些注意事项需要遵守：

1. 选择合适的并发容器。不同的并发容器有不同的特性和适用场景，选择合适的并发容器可以提高代码的效率和可读性。
2. 注意线程安全问题。虽然并发容器本身是线程安全的，但在使用它们时仍然需要注意一些线程安全问题。例如，尽量避免在遍历容器时修改容器，因为这可能导致不可预见的结果。

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总结

通过本文，我们对 Java 中的几种主要的并发容器进行了深入的探讨，包括 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、ConcurrentLinkedQueue 和 ConcurrentSkipListMap。我们了解了它们的基本概念、使用方式、内部工作原理和相关面试题，希望这能帮助你在面试和实际开发中更好地理解和使用这些并发容器。

并发编程是一种非常重要的编程范式，特别是在现代的多核处理器系统中。理解并发编程的基本概念和并发容器的使用，可以帮助我们写出更高效、更可靠的并发代码。