在多線程環(huán)境下，直接使用傳統(tǒng)的集合類（如ArrayList, HashMap) 是危險的，會導致數(shù)據(jù)不一致、臟讀等問題。Java通過 java.util.concurrent（JUC）包提供了一整套線程安全的并發(fā)容器，它們不僅是簡單的同步包裝，更是基于精妙并發(fā)算法構(gòu)建的高性能工具。理解并正確使用它們，是開發(fā)穩(wěn)健、高效并發(fā)應用的必備技能。

一、為什么需要JUC并發(fā)集合？

傳統(tǒng)的同步方式（如使用 Collections.synchronizedList()）是通過在方法上添加synchronized關(guān)鍵字來實現(xiàn)的，這是一種粗粒度的鎖策略，雖然能保證線程安全，但性能堪憂。因為它一次只允許一個線程訪問集合，嚴重限制了并發(fā)性。

JUC并發(fā)容器的設計目標是在保證線程安全的前提下，最大限度地提升并發(fā)性能。其核心實現(xiàn)理念是：

• 鎖分離：將鎖的粒度細化，允許多個線程以非沖突的方式同時訪問集合的不同部分。
• 無鎖算法：使用CAS（Compare-And-Swap）等樂觀鎖操作，避免互斥鎖的開銷。
• 寫時復制：適用于讀多寫少的場景，修改操作時復制整個容器，從而讓讀操作完全無鎖。

二、核心并發(fā)集合分類與詳解

JUC并發(fā)容器可分為以下幾大類，每一類都針對特定場景進行了優(yōu)化。

1. 并發(fā)Map：應對高頻鍵值存儲

• ConcurrentHashMap (CHM) - 絕對的主角
  • 替代者：用于替代同步的HashMap或Hashtable。
  • 實現(xiàn)原理：在JDK 8之前，采用分段鎖（Segment），將數(shù)據(jù)分成一段一段存儲，每段配一把鎖，大大提升了并發(fā)度。在JDK 8及之后，進行了革命性優(yōu)化：
• synchronized + CAS：鎖的粒度從Segment細化到每個數(shù)組桶位的頭節(jié)點，并發(fā)度更高。
  • 紅黑樹優(yōu)化：當鏈表長度超過8且數(shù)組容量≥64時，鏈表會轉(zhuǎn)為紅黑樹，防止極端情況下哈希沖突導致性能退化。
  • 特點：線程安全、高并發(fā)、高性能。是JUC中使用最頻繁的類之一。
• ConcurrentSkipListMap
  • 特點：基于跳表實現(xiàn)的有序并發(fā)Map。
  • 適用場景：當需要線程安全且要求Map的鍵有序時使用。其并發(fā)性能優(yōu)于同步的TreeMap。

2. 并發(fā)Queue：高效的任務調(diào)度與數(shù)據(jù)傳輸

并發(fā)隊列是實現(xiàn)生產(chǎn)者-消費者模式的核心。

• 阻塞隊列 (BlockingQueue)
  • 特點：當隊列滿時，插入操作會被阻塞；當隊列空時，獲取操作會被阻塞。
  • 核心實現(xiàn)：
    • ArrayBlockingQueue：由數(shù)組實現(xiàn)的有界阻塞隊列。內(nèi)部使用一個可重入鎖和兩個條件變量（notEmpty, notFull）來實現(xiàn)阻塞。
    • LinkedBlockingQueue：由鏈表實現(xiàn)的可選有界阻塞隊列。默認無界，但可設置容量。采用兩把鎖（putLock, takeLock），讀寫操作可以完全并行，吞吐量通常高于ArrayBlockingQueue。
    • PriorityBlockingQueue：支持優(yōu)先級的無界阻塞隊列。
    • SynchronousQueue：一個不存儲元素的阻塞隊列。每個插入操作必須等待另一個線程的對應移除操作，反之亦然。非常適合直接傳遞任務的場景，吞吐量很高。
• 非阻塞隊列
  • ConcurrentLinkedQueue
    • 特點：基于鏈表實現(xiàn)的無界非阻塞隊列。采用CAS算法實現(xiàn)，保證了線程安全。
    • 適用場景：適用于對性能要求極高，且可以容忍poll()獲取元素時返回null（隊列為空）的場景。

3. 并發(fā)List與Set

• CopyOnWriteArrayList (COW) - 寫時復制列表
  • 實現(xiàn)原理：所有修改操作（add, set, remove）都會復制底層數(shù)組。讀操作在原數(shù)組上進行，因此讀操作極快且無需加鎖。修改操作完成后，將原數(shù)組引用指向新數(shù)組。
• 優(yōu)缺點：
  • 優(yōu)點：讀性能極高，完全無鎖。
  • 缺點：內(nèi)存占用大（每次修改都復制整個數(shù)組）；數(shù)據(jù)弱一致性（讀操作可能無法立即讀到剛寫入的數(shù)據(jù)）。
• 適用場景：讀多寫少的極致場景，如監(jiān)聽器列表、配置信息的存儲。
• CopyOnWriteArraySet
  • 實現(xiàn)原理：內(nèi)部封裝了一個CopyOnWriteArrayList，因此特性與COW列表完全一致。
  • 適用場景：讀多寫少且需要集合語義的場景。

4. 并發(fā)工具類（擴展）

雖然不嚴格屬于集合，但常與并發(fā)集合配合使用。

• ConcurrentSkipListSet：基于ConcurrentSkipListMap實現(xiàn)的有序并發(fā)Set。
• BlockingDeque：雙端阻塞隊列接口，代表實現(xiàn)是LinkedBlockingDeque。

三、選型指南：如何選擇合適的并發(fā)容器？

選擇正確的并發(fā)容器是優(yōu)化性能的關(guān)鍵。

重要原則：

• 優(yōu)先使用JUC容器，而不是用Collections.synchronizedXXX()來包裝舊容器。
• 明確需求：是需要Map、Queue還是List？是否需要阻塞特性？是否需要有序？
• 考慮讀寫比例：CopyOnWrite系列只在寫極少的情況下有優(yōu)勢。
• 理解實現(xiàn)原理：了解底層是使用鎖還是CAS，有助于你判斷其在高競爭下的性能表現(xiàn)。

到此這篇關(guān)于Java JUC并發(fā)集合詳解：線程安全容器完全指南的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java JUC并發(fā)集合內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！