Java并发集合

Java并发集合是Java集合框架中为多线程环境设计的一组线程安全容器类，位于java.util.concurrent包中。它们通过高效的并发控制机制（如CAS操作、分段锁等）解决了传统集合（如ArrayList、HashMap）在多线程下的性能与安全问题。

概述

Java并发集合的核心目标是：

• 线程安全：无需外部同步即可在多线程环境下使用。
• 高性能：通过细粒度锁或无锁算法减少竞争。
• 可扩展性：适合高并发场景。

与使用Collections.synchronizedXXX()包装的集合相比，并发集合在吞吐量和一致性上更具优势。

主要并发集合类

以下是java.util.concurrent包中的关键实现：

1. ConcurrentHashMap

高并发优化的哈希表，通过分段锁（JDK 7）或CAS+synchronized（JDK 8+）实现线程安全。

示例代码：

  
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  

public class ConcurrentHashMapExample {  
    public static void main(String[] args) {  
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();  
        map.put("A", 1);  
        map.putIfAbsent("B", 2); // 原子操作  
        System.out.println(map.get("A")); // 输出: 1  
    }  
}

2. CopyOnWriteArrayList

通过写时复制（Copy-On-Write）实现的线程安全列表，适合读多写少的场景。

示例代码：

  
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;  

public class CopyOnWriteExample {  
    public static void main(String[] args) {  
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();  
        list.add("Java");  
        list.add("Python");  
        list.forEach(System.out::println); // 线程安全遍历  
    }  
}

3. BlockingQueue 接口

支持阻塞操作的队列，常用于生产者-消费者模型。实现类包括：

• ArrayBlockingQueue：基于数组的有界队列
• LinkedBlockingQueue：基于链表的可选有界队列

示例代码：

  
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;  

public class BlockingQueueExample {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        ArrayBlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(3);  
        queue.put("Task1"); // 阻塞直到空间可用  
        String task = queue.take(); // 阻塞直到元素可用  
    }  
}

并发控制机制

Java并发集合通过以下技术实现线程安全：

flowchart LR A[并发集合] --> B[锁分段技术] A --> C[CAS操作] A --> D[写时复制] B --> E[ConcurrentHashMap JDK7] C --> F[ConcurrentHashMap JDK8+] D --> G[CopyOnWriteArrayList]

数学上，CAS操作可以表示为： $\text{CAS}(V,E,N)=\{\begin{array}{ll}\text{true}& \text{if }V=E\text{ then }V\leftarrow N\\ \text{false}& \text{otherwise}\end{array}$

实际应用案例

场景：Web服务器请求计数器 使用ConcurrentHashMap统计不同API的访问次数：

  
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  

public class RequestCounter {  
    private final ConcurrentHashMap<String, Integer> counter = new ConcurrentHashMap<>();  

    public void increment(String apiPath) {  
        counter.compute(apiPath, (k, v) -> (v == null) ? 1 : v + 1);  
    }  

    public int getCount(String apiPath) {  
        return counter.getOrDefault(apiPath, 0);  
    }  
}

性能对比

并发集合 vs 同步包装集合

操作	ConcurrentHashMap	Collections.synchronizedMap
读操作	无锁	全表锁
写操作	分段锁/CAS	全表锁

最佳实践

• 优先使用ConcurrentHashMap而非Hashtable
• 读多写少时选择CopyOnWriteArrayList
• 避免在迭代过程中修改ConcurrentHashMap（弱一致性迭代器）

参见

• Java内存模型
• Java并发工具类