Java常用的并發容器

# Java常用的并發容器

## 前言

在現代多核CPU架構下，并發編程已成為提升系統性能的關鍵手段。Java作為企業級應用的主流語言，提供了豐富的并發容器來解決多線程環境下的數據共享問題。與傳統的同步容器（如`Vector`、`Hashtable`）相比，并發容器通過更細粒度的鎖機制或無鎖算法，實現了更高的吞吐量和線程安全性。

本文將系統性地介紹Java并發包（`java.util.concurrent`）中的核心容器實現，包括：
- 并發集合（List/Set/Queue/Map）
- 阻塞隊列
- 寫時復制容器
- 并發原子類

通過源碼解析、性能對比和使用場景分析，幫助開發者選擇最適合業務需求的并發容器。

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## 一、并發集合框架

### 1.1 ConcurrentHashMap

#### 實現原理
```java
// JDK8后的實現基于CAS+synchronized
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
                break;                   // CAS成功則插入完成
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            synchronized (f) {  // 鎖住鏈表頭節點
                // ...處理哈希沖突邏輯
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

核心改進： - JDK7采用分段鎖（Segment），默認16個段 - JDK8改為數組+鏈表/紅黑樹，鎖粒度細化到桶（bucket）級別 - 使用Unsafe類進行原子操作（tabAt/casTabAt）

性能對比

使用場景

• 高并發緩存系統
• 實時計算的統計場景

1.2 CopyOnWriteArrayList

寫時復制機制

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements); // volatile寫保證可見性
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

特點： - 讀操作完全無鎖 - 寫操作復制整個數組 - 最終一致性（非強一致）

適用場景

• 讀多寫少的監聽器列表
• 事件總線實現

二、阻塞隊列（BlockingQueue）

2.1 核心實現對比

2.2 典型生產者-消費者模式

// 使用ArrayBlockingQueue實現
class Producer implements Runnable {
    private final BlockingQueue<Integer> queue;
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                queue.put(produceItem()); // 阻塞式插入
                Thread.sleep(200);
            }
        } catch (InterruptedException ex) { /*...*/ }
    }
}

class Consumer implements Runnable {
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                process(queue.take()); // 阻塞式獲取
            }
        } catch (InterruptedException ex) { /*...*/ }
    }
}

三、高級并發容器

3.1 ConcurrentSkipListMap

跳表（Skip List）結構：

Head -> L3 -----------------------------------> 50
       L2 ------------> 20 ------------> 50
       L1 ---> 10 ---> 20 ---> 30 ---> 50
       L0 ->5->10->15->20->25->30->40->50->60

特性： - 平均O(log n)的查詢復雜度 - 天然有序的并發Map - 比TreeMap更好的并發性能

四、原子類與累加器

4.1 LongAdder vs AtomicLong

實現原理：

// LongAdder的分段累加
public void add(long x) {
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
        boolean uncontended = true;
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
            longAccumulate(x, null, uncontended);
    }
}

五、最佳實踐與陷阱規避

5.1 選擇策略

1. 讀多寫少：CopyOnWriteArrayList
2. 高并發寫入：ConcurrentHashMap
3. 任務調度：PriorityBlockingQueue
4. 線程間通信：LinkedTransferQueue

5.2 常見誤區

• 誤用ConcurrentHashMap的size()方法（建議使用mappingCount()）
• CopyOnWriteArrayList在頻繁寫場景下的內存問題
• 阻塞隊列的offer()與put()選擇不當導致死鎖

結語

Java并發容器的發展體現了并發編程的優化方向： 1. 鎖粒度細化（分段鎖 -> 桶鎖） 2. 無鎖化（CAS -> LongAdder） 3. 讀寫分離（CopyOnWrite）

隨著Java版本的迭代，Project Loom的虛擬線程將進一步改變并發容器的使用方式。開發者應當持續關注底層實現的變化，才能編寫出更高效的并發代碼。

本文基于JDK17分析，代碼示例需根據實際運行環境調整 “`

注：由于篇幅限制，以上為精簡版文章框架。完整6300字版本應包含： 1. 更詳細的源碼分析 2. JMH性能測試數據 3. 各容器內存布局圖示 4. 與Kotlin協程的配合使用示例 5. 分布式環境下的擴展討論