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JUC 并发集合：高效处理多线程数据共享的利器

news 2025/9/3 13:17:22

在 Java 并发编程中，数据共享和线程安全是核心问题。Java 集合框架中的普通集合（如 ArrayList、HashMap）并非线程安全，在多线程环境下使用可能导致数据不一致或异常。为此，JDK 的 java.util.concurrent（JUC）包提供了一系列线程安全的并发集合，专门用于解决多线程环境下的数据操作问题。本文将详细介绍 JUC 并发集合的分类、特性及典型使用场景。

一、JUC 并发集合概述

JUC 并发集合位于 java.util.concurrent 包下，它们通过巧妙的并发设计（如分段锁、CAS 操作、Copy-On-Write 等）实现了高效的线程安全，避免了使用 synchronized 带来的性能开销。与传统同步集合（如 Vector、Hashtable）相比，JUC 并发集合具有更高的吞吐量和更好的并发性能。

根据功能，JUC 并发集合可分为以下几类：

  • ConcurrentMap：并发映射
  • ConcurrentCollection：并发集合
  • 阻塞队列（BlockingQueue）
  • 其他同步工具类

二、常用 JUC 并发集合详解

1. ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是 HashMap 的线程安全版本，也是 JUC 中最常用的并发集合之一。它在 JDK 1.7 中采用分段锁（Segment）机制，JDK 1.8 及以上则使用 CAS+synchronized 实现，进一步提升了并发性能。

特性：

  • 支持高并发的读操作，读操作无需加锁
  • 写操作只锁定当前操作的节点，不影响其他节点的读写
  • 提供原子性的 putIfAbsent、remove 等操作

使用示例：

import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConcurrentHashMapDemo {public static void main(String[] args) {Map<String, Integer> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();// 启动多个线程进行put操作for (int i = 0; i < 5; i++) {int threadNum = i;new Thread(() -> {for (int j = 0; j < 1000; j++) {String key = "key-" + j;// 原子操作：如果key不存在则put，返回旧值concurrentMap.putIfAbsent(key, threadNum);}}, "Thread-" + i).start();}// 等待所有线程完成try {Thread.sleep(2000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("集合大小: " + concurrentMap.size());}
}

2. CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是 ArrayList 的线程安全变体，其核心思想是 "写时复制"：当进行修改操作（add、set 等）时，会创建底层数组的副本，修改操作在副本上进行，完成后再将引用指向新数组。

特性：

  • 读操作无锁，性能优异
  • 写操作需要复制数组，开销较大
  • 适合读多写少的场景

使用示例：

import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;public class CopyOnWriteArrayListDemo {public static void main(String[] args) {List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();// 添加元素list.add("元素1");list.add("元素2");list.add("元素3");// 迭代过程中可以安全修改集合Iterator<String> iterator = list.iterator();new Thread(() -> {list.add("新元素");System.out.println("添加新元素后集合: " + list);}).start();// 迭代器遍历的是原数组，不会反映新添加的元素System.out.println("迭代器遍历结果:");while (iterator.hasNext()) {System.out.println(iterator.next());}}
}

3. BlockingQueue 接口

BlockingQueue 是支持阻塞操作的队列，当队列满时，入队操作会阻塞；当队列空时，出队操作会阻塞。它是实现生产者 - 消费者模式的理想选择。

常用实现类：

  • ArrayBlockingQueue：基于数组的有界阻塞队列
  • LinkedBlockingQueue：基于链表的可选有界阻塞队列
  • SynchronousQueue：不存储元素的阻塞队列，每个 put 必须等待一个 take
  • PriorityBlockingQueue：支持优先级的无界阻塞队列
  • DelayQueue：支持延迟获取元素的无界阻塞队列

生产者 - 消费者模式示例：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;public class BlockingQueueDemo {// 创建容量为10的有界阻塞队列private static final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);public static void main(String[] args) {// 启动生产者线程new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 20; i++) {queue.put(i); // 队列满时会阻塞System.out.println("生产者生产: " + i + "，队列大小: " + queue.size());Thread.sleep(100);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "生产者").start();// 启动消费者线程new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 20; i++) {Integer value = queue.take(); // 队列空时会阻塞System.out.println("消费者消费: " + value + "，队列大小: " + queue.size());Thread.sleep(300);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "消费者").start();}
}

4. ConcurrentLinkedQueue

ConcurrentLinkedQueue 是基于链表的无界非阻塞队列，它使用 CAS 操作保证线程安全，适合高并发场景下的队列操作。

特性：

  • 无界队列，理论上可以无限添加元素
  • 非阻塞算法实现，高并发性能好
  • 不允许 null 元素

使用示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;public class ConcurrentLinkedQueueDemo {public static void main(String[] args) {ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();// 入队操作queue.offer("元素1");queue.offer("元素2");queue.offer("元素3");// 出队操作System.out.println(queue.poll()); // 元素1System.out.println(queue.poll()); // 元素2// 查看队头元素System.out.println(queue.peek()); // 元素3// 遍历队列System.out.println("队列元素:");queue.forEach(System.out::println);}
}

5. 其他实用并发集合

  • ConcurrentSkipListMap：支持排序的并发 Map，类似于 TreeMap 的线程安全版本
  • ConcurrentSkipListSet：支持排序的并发 Set，内部基于 ConcurrentSkipListMap 实现
  • CopyOnWriteArraySet：基于 CopyOnWriteArrayList 实现的 Set，适合读多写少场景

三、JUC 并发集合与传统同步集合的对比

特性JUC 并发集合传统同步集合（如 Vector、Hashtable）
线程安全实现采用 CAS、分段锁等机制基于 synchronized 方法
并发性能高，支持多线程同时读写低，同一时间只允许一个线程操作
迭代器特性弱一致性迭代器，不抛出 ConcurrentModificationException快速失败迭代器，可能抛出 ConcurrentModificationException
适用场景高并发读写场景低并发或单线程场景

四、选择合适的 JUC 并发集合

选择 JUC 并发集合时，可参考以下原则：

  1. 判断是集合还是映射：需要键值对结构选择 ConcurrentHashMap 或 ConcurrentSkipListMap；需要线性结构选择相应的集合类。

  2. 考虑读写比例：

    • 读多写少：优先选择 CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet
    • 读写均衡或写操作较多：选择 ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentHashMap 等

  3. 是否需要阻塞功能：实现生产者 - 消费者模式时，优先选择 BlockingQueue 的实现类。

  4. 是否需要排序：需要排序功能时选择 ConcurrentSkipListMap 或 ConcurrentSkipListSet。

  5. 是否有界：对队列大小有限制时选择 ArrayBlockingQueue；无限制时可选择 LinkedBlockingQueue 或 ConcurrentLinkedQueue。

五、总结

JUC 并发集合为多线程环境下的数据操作提供了高效、安全的解决方案。它们通过精心设计的并发控制机制，在保证线程安全的同时，最大限度地提高了并发性能。

掌握 JUC 并发集合的特性和适用场景，能够帮助我们在实际开发中选择合适的集合类型，编写高效、健壮的并发程序。在使用时，应根据具体的业务场景和性能需求，合理选择最适合的并发集合，以达到最佳的程序性能。

http://www.dtcms.com/a/363955.html

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