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Java线程安全集合类全面解析

目录

1. 并发集合概述
2. List线程安全实现
3. Set线程安全实现
4. Map线程安全实现
5. Queue线程安全实现
6. 总结

并发集合概述

Java提供了多种线程安全的集合类，主要分为两大类：

1. 传统同步集合：通过synchronized关键字实现线程安全
2. 并发集合：采用更高效的并发控制机制（如CAS、分段锁等）

List线程安全实现

1. Vector

• 底层结构：动态数组（类似ArrayList）
• 线程安全机制：所有方法使用synchronized修饰
• 缺点：性能差（全表锁）
• 使用场景：已过时，不推荐使用

// 示例代码
Vector<String> vector = new Vector<>();
vector.add("item"); // 同步方法

2. Collections.synchronizedList

• 底层结构：包装普通List
• 线程安全机制：所有方法通过同步块加锁
• 优点：兼容所有List实现
• 缺点：迭代时需要手动同步

List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
// 遍历时需要手动同步
synchronized(syncList) {for(String item : syncList) {// 处理逻辑}
}

3. CopyOnWriteArrayList

• 底层结构：volatile数组+写时复制
• 线程安全机制：
  • 读操作：无锁访问数组快照
  • 写操作：ReentrantLock+数组复制
• 优点：读性能极高
• 缺点：写性能差，内存占用高
• 使用场景：读多写少（事件监听器、配置管理）

CopyOnWriteArrayList<String> cowList = new CopyOnWriteArrayList<>();
cowList.add("item"); // 加锁复制数组
String item = cowList.get(0); // 无锁读取

Set线程安全实现

1. Collections.synchronizedSet

• 底层结构：包装普通Set
• 线程安全机制：全方法同步
• 缺点：性能较差

2. CopyOnWriteArraySet

• 底层结构：基于CopyOnWriteArrayList
• 线程安全机制：同CopyOnWriteArrayList
• 使用场景：小型读多写少集合

3. ConcurrentSkipListSet

• 底层结构：跳表(SkipList)
• 线程安全机制：CAS+自旋
• 优点：有序且并发性能好
• 使用场景：需要有序的高并发Set

ConcurrentSkipListSet<String> set = new ConcurrentSkipListSet<>();
set.add("item"); // 线程安全

Map线程安全实现

1. Hashtable

• 底层结构：数组+链表
• 线程安全机制：全方法同步
• 缺点：性能差（全表锁）
• 使用场景：已过时，不推荐使用

2. Collections.synchronizedMap

• 底层结构：包装普通Map
• 线程安全机制：全方法同步
• 缺点：迭代时需要手动同步

3. ConcurrentHashMap

• 底层结构：
  • JDK7：分段锁（Segment）
  • JDK8：数组+链表/红黑树+CAS+synchronized
• 线程安全机制：
  • 读操作：无锁（volatile读）
  • 写操作：CAS+同步块（锁住链表头节点）
• 优点：高并发性能优异
• 使用场景：高并发键值存储（缓存、计数器等）

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key", 1); // 分段锁/CAS
int value = map.get("key"); // 无锁读取

Queue线程安全实现

1. ConcurrentLinkedQueue

• 底层结构：链表+CAS
• 线程安全机制：无锁算法（CAS）
• 优点：高并发性能好
• 缺点：size()方法开销大
• 使用场景：高并发生产者消费者

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
queue.offer("item"); // CAS操作
String item = queue.poll(); // CAS操作

2. BlockingQueue实现类

实现类	特点	使用场景
ArrayBlockingQueue	有界数组+ReentrantLock	固定大小队列
LinkedBlockingQueue	可选有界链表+双锁	通用阻塞队列
PriorityBlockingQueue	优先级堆+锁	优先级任务调度
SynchronousQueue	直接传递+双栈	线程池任务传递
DelayQueue	优先级堆+锁	延时任务调度

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(100);
queue.put("item"); // 阻塞写入
String item = queue.take(); // 阻塞取出

总结与选型建议

性能对比

集合类型	读性能	写性能	一致性
同步集合	差	差	强
CopyOnWrite	极好	差	弱
ConcurrentHashMap	极好	好	弱
CAS无锁队列	极好	极好	弱

选型指南

1. List场景：

   • 读多写少 → CopyOnWriteArrayList
   • 读写均衡 → Collections.synchronizedList

2. Map场景：

   • 高并发 → ConcurrentHashMap
   • 需要排序 → ConcurrentSkipListMap

3. Queue场景：

   • 无界非阻塞 → ConcurrentLinkedQueue
   • 有界阻塞 → ArrayBlockingQueue
   • 延时任务 → DelayQueue

4. Set场景：

   • 小型集合 → CopyOnWriteArraySet
   • 大型并发 → ConcurrentSkipListSet

最佳实践

1. 优先考虑并发集合而非同步集合
2. 根据读写比例选择合适实现
3. 注意迭代时的线程安全问题
4. 高并发环境避免使用size()、containsAll()等方法

// 线程安全集合使用示例
ConcurrentHashMap<String, User> cache = new ConcurrentHashMap<>();
CopyOnWriteArrayList<EventListener> listeners = new CopyOnWriteArrayList<>();
BlockingQueue<Task> taskQueue = new LinkedBlockingQueue<>(1000);

工作中我们需要根据实际情况来选择线程安全集合，这样可以在保证线程安全的同时获得最佳性能表现。