Java 常见并发容器总结

JavaJuice约 1751 字大约 6 分钟

在多线程编程中，常常需要使用并发容器来解决并发环境下的共享数据问题。Java 提供了多种并发容器，它们主要是 java.util.concurrent 包下的一部分，旨在帮助开发者以线程安全的方式存储和操作数据。下面是对常见并发容器的详细总结。

1. `ConcurrentHashMap`

ConcurrentHashMap 是一个线程安全的哈希表实现，它支持高效的并发读写操作。它通过将哈希表划分为多个小段（Segment），使得不同线程可以并发访问不同段的数据，避免了对整个哈希表加锁，从而提高了性能。

特点

分段锁机制：底层将数据分成多个段（Java 8 后的实现细节已发生变化），每个段独立加锁，因此在进行大规模并发操作时，能有效避免锁的竞争。
线程安全的并发访问：对于大多数操作（如 get、put 等）是线程安全的。
高效的并发性能：由于多个线程可以并行访问不同的段，ConcurrentHashMap 提供了比 Hashtable 更高的并发性能。
支持 null 值：与 HashMap 不同，ConcurrentHashMap 不允许使用 null 作为键或值。

使用场景

多线程环境下对键值对进行高效的并发操作，如缓存、存储频繁访问的对象。

示例

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("A", 1);
map.put("B", 2);
System.out.println(map.get("A")); // 输出 1

2. `CopyOnWriteArrayList`

CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的 ArrayList 实现，它通过在修改操作时复制整个数组来实现线程安全。每次修改（如 add、remove）都涉及到创建一个新的底层数组，因此写操作会消耗较多资源，但读操作不会加锁，性能较高。

特点

适合读多写少的场景：由于每次写操作都会进行数组的复制，因此写操作性能较差，但读操作非常高效。
不允许 null 元素：与 ArrayList 一样，CopyOnWriteArrayList 不允许存储 null 元素。
线程安全：对 add、remove、set 等修改操作都进行了加锁保护。

使用场景

适用于读操作多而写操作少的场景，如事件监听器、观察者模式等。

示例

CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
System.out.println(list); // 输出 [1, 2, 3]

3. `BlockingQueue`

BlockingQueue 是一个支持阻塞操作的队列接口。它提供了两个主要操作：一是阻塞式的 put 和 take 方法，二是非阻塞式的 offer 和 poll 方法。BlockingQueue 适用于生产者-消费者模式的实现。

BlockingQueue 接口有多种常见的实现，如 ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue 等。

特点

阻塞操作：put 和 take 方法会在队列已满或为空时阻塞线程，直到队列能够进行相应的操作。
线程安全：所有的 BlockingQueue 实现都保证了线程安全，适用于多个线程同时对队列进行操作的场景。
非阻塞操作：offer 和 poll 方法允许指定超时，可以避免长时间阻塞。

使用场景

适用于生产者-消费者问题、任务调度等场景。

示例

BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
queue.put(1);
queue.put(2);
queue.take(); // 会阻塞，直到队列有元素可以取
System.out.println(queue); // 输出队列内容

4. `CopyOnWriteArraySet`

CopyOnWriteArraySet 是 Set 接口的一个线程安全实现，它的实现原理与 CopyOnWriteArrayList 类似，每次修改（如 add、remove）都会复制整个底层数组。

特点

适合读多写少的场景：由于每次写操作都会复制底层数组，因此它非常适合于写操作少而读操作多的场景。
线程安全：所有的操作（包括修改和查询）都保证线程安全。

使用场景

用于监听器、事件处理等场景，适用于元素添加不频繁的场景。

示例

CopyOnWriteArraySet<String> set = new CopyOnWriteArraySet<>();
set.add("A");
set.add("B");
System.out.println(set); // 输出 [A, B]

5. `ConcurrentLinkedQueue` 和 `ConcurrentLinkedDeque`

ConcurrentLinkedQueue 是一个基于非阻塞算法实现的线程安全队列，使用了 CAS（Compare-And-Swap）机制来保证线程安全。
ConcurrentLinkedDeque 是 ConcurrentLinkedQueue 的双端队列实现，支持从两端进行插入和删除操作。

特点

非阻塞性：与 BlockingQueue 不同，ConcurrentLinkedQueue 和 ConcurrentLinkedDeque 不会阻塞线程。
线程安全：采用无锁的 CAS 技术保证并发时的线程安全。

使用场景

适用于高并发场景下对队列进行插入和删除操作的情况。

示例

ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.add(1);
queue.add(2);
System.out.println(queue.poll()); // 输出并移除队列中的第一个元素

6. `LinkedBlockingQueue`

LinkedBlockingQueue 是 BlockingQueue 的一个实现，它采用链表结构实现，能够在没有设置容量时动态扩展队列的大小。

特点

支持阻塞操作：提供 put 和 take 方法，支持队列满时阻塞写操作，队列为空时阻塞读操作。
可以设置容量：可以设置队列的容量，如果没有设置，则队列大小为 Integer.MAX_VALUE。
线程安全：所有的操作（包括插入、删除、查询等）都保证线程安全。

使用场景

适用于生产者-消费者模式，尤其是在容量不固定且队列长度大时。

示例

LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);
queue.put(1);
queue.put(2);
System.out.println(queue.take()); // 输出 1

7. `PriorityBlockingQueue`

PriorityBlockingQueue 是一个支持优先级的 BlockingQueue 实现。它根据元素的自然顺序或构造时提供的比较器来决定元素的优先级。

特点

支持优先级队列：可以通过 Comparator 来为队列元素设定优先级。
无界队列：该队列没有容量限制，元素会根据优先级顺序排列。
线程安全：所有操作都保证线程安全。

使用场景

适用于需要处理具有优先级的任务的场景，例如任务调度系统。

示例

PriorityBlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
queue.put(3);
queue.put(1);
queue.put(2);
System.out.println(queue.take()); // 输出 1

总结

Java 提供了多种并发容器，它们各自具有不同的特性和适用场景。在多线程编程中，合理选择并发容器可以显著提高程序的性能和稳定性。以下是常见并发容器的总结：

ConcurrentHashMap：适用于高并发环境下对键值对的操作，提供高效的并发读写。
CopyOnWriteArrayList：适用于读多写少的场景，保证线程安全的同时保持高效的读操作。
BlockingQueue：适用于生产者-消费者模式，提供阻塞操作。
CopyOnWriteArraySet：适用于读多写少的场景，提供线程安全的集合操作。
ConcurrentLinkedQueue 和 ConcurrentLinkedDeque：适用于高并发环境下的队列操作，提供无锁的线程安全操作。
PriorityBlockingQueue：适用于具有优先级任务的调度场景。

在使用这些并发容器时，选择合适的容器类型和策略，能够确保程序在高并发环境中的稳定性和高效性。