多线程（32）并发集合

川长思鸟来 2024-04-24 23:11 74阅读 0赞

并发集合是为了解决多线程环境中数据结构安全访问而设计的。在传统的集合如 `ArrayList` 或 `HashMap` 等中，当多个线程尝试并发地修改同一个集合时，往往会遇到并发修改异常（`ConcurrentModificationException`）或者遇到不一致的状态，因为这些集合不是线程安全的。

#### Java中的并发集合 ####

Java的 `java.util.concurrent` 包提供了一系列的并发集合，它们能够在多线程环境下安全地执行插入、移除和访问操作。这些集合包括：

*  `ConcurrentHashMap`
 *  `CopyOnWriteArrayList`
 *  `CopyOnWriteArraySet`
 *  `ConcurrentLinkedQueue`
 *  `ConcurrentLinkedDeque`
 *  `BlockingQueue` 的不同实现，如 `ArrayBlockingQueue`、`LinkedBlockingQueue`、`PriorityBlockingQueue` 等
 *  `BlockingDeque` 的实现，如 `LinkedBlockingDeque`
 *  `ConcurrentSkipListMap` 和 `ConcurrentSkipListSet`

#### 工作原理 ####

##### 1. 分段锁（Segmentation） #####

`ConcurrentHashMap` 在Java 7及以前的版本中使用分段锁的概念。集合被分成一系列的段(segment)，每个段其实就是一个小的哈希表，并且每个段都有它自己的锁。当一个线程访问一个段时，它只需要获取对应段的锁，而不会影响到其他段。这种方式减少了锁的竞争，使得多个线程可以同时访问不同段的数据。

从Java 8开始，`ConcurrentHashMap` 使用了一种不同的锁机制来进一步优化性能，具体来说是使用了一种称为CAS（Compare-And-Swap）的技术来减少锁的使用。

##### 2. CAS（Compare-And-Swap） #####

CAS操作是一种无锁的原子操作，它包含三个操作数——内存位置、预期原值以及新值。CAS操作仅在内存位置的当前值与预期原值相匹配时，才会将内存位置的值更新为新值。这保证了该操作的原子性。`AtomicInteger` 是 Java 中使用 CAS 的一个例子。

在 `ConcurrentHashMap` 中，这种技术被用来实现非阻塞的算法，使得多线程可以在没有锁的情况下安全地执行复杂的更新操作。

##### 3. 写时复制（Copy-On-Write） #####

`CopyOnWriteArrayList` 和 `CopyOnWriteArraySet` 使用了写时复制策略。当集合被修改时，内部结构（如数组）会被整体复制，在副本上进行更改，然后再将原始结构指向新的副本。这种机制确保了在遍历集合时不会抛出 `ConcurrentModificationException`，因为遍历操作只会访问到原始数据，即使在遍历时有其他线程对集合进行了修改。

写时复制是一种读优化策略，适用于读多写少的并发场景。它的缺点是写操作的成本较高，因为每次修改都需要复制整个底层数组。

##### 4. 阻塞和非阻塞的队列 #####

`BlockingQueue` 和 `BlockingDeque` 接口提供了阻塞的插入和移除操作。如果队列为空，取操作会阻塞直到有元素可取；如果队列满了，插入操作会阻塞直到队列有空间。这些集合通常用于生产者-消费者模式。

`ConcurrentLinkedQueue` 和 `ConcurrentLinkedDeque` 是基于链接节点的线程安全队列，它们使用非阻塞算法，通常通过CAS操作来保证线程安全。

##### 5. 跳表 #####

`ConcurrentSkipListMap` 和 `ConcurrentSkipListSet` 是基于跳表数据结构的并发集合。跳表是一个有序的数据结构，通常通过多层链表来实现，能够提供与平衡树相当的并发性能，但是实现起来更为简单。跳表允许并发地进行查找、插入和删除操作，其性能通常是对数级别的。

#### 使用场景 ####

这些并发集合的使用依赖于具体的应用场景。如果需要大量的并行读取和少量的更新操作，`CopyOnWriteArrayList` 可能是最佳选择。而需要高并发插入和删除操作时，`ConcurrentLinkedQueue` 或 `ConcurrentLinkedDeque` 可能更适合。`ConcurrentHashMap` 则适用于需要高并发访问和更新的键值对集合。

总之，并发集合通过使用分段锁、CAS、写时复制等高级并发控制技术，提供了在多线程环境中安全且高效的数据操作方式。开发者应当根据具体的并发需求，选择最合适的集合类型来使用。