Java 并发集合详解

最新推荐文章于 2025-04-27 14:50:18 发布

小柴的生活观

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分类专栏： Java 文章标签：多线程并发 java

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本文介绍了Java中用于并发编程的各类集合，包括阻塞式和非阻塞式的队列、优先级队列、延时队列及线程安全的映射表。同时探讨了原子变量的概念与使用案例，如AtomicLong和AtomicIntegerArray，展示了如何利用这些工具来构建高效且线程安全的应用。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

Java 提供两类适用于并发应用的集合 :

1> 阻塞式集合 : 当集合已满或为空时，被调用的添加或移除方法不能立即执行，此时这个线程阻塞，一直到该方法可以被成功执行

2> 非阻塞式集合 : 如果方法不能被立即执行，则返回 null 或抛出异常，但是调用这个方法的线程不会被阻塞

ConcurrentLinkedDeque 类

非阻塞式线程安全列表，线程安全的双向链表

public int size() : 返回链表中的元素量，但可能数据不是真实的

public E getFirst()、public E getLast() : 返回元素中的第一个、最后一个数据，且数据不会移除，如果列表为空将抛出 NoSuchElementException

public E peek()、public E peekFirst()、public E peekLast() : 返回元素中的第一个、第一个、最后一个数据，没有数据时返回 null

public E poll()、public E pollFirst()、public E pollLast() : 返回并移除第一个、第一个、最后一个数据，没有数据时返回 null

public E remove()、public E removeFirst()、public E removeLast() : 返回并移除第一个、第一个、最后一个数据，如果列表为空将抛出 NoSuchElementException

public class AddTask implements Runnable {

private ConcurrentLinkedDeque<String> list;

public AddTask(ConcurrentLinkedDeque<String> list) {

this.list = list;

}

@Override

public void run() {

String name = Thread.currentThread().getName();

for (int i = 0; i < 10000; i++) {

list.add(name + ": Element " + i);

}

public class PollTask implements Runnable {

private ConcurrentLinkedDeque<String> list;

public PollTask(ConcurrentLinkedDeque<String> list) {

this.list = list;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 5000; i++) {

list.pollFirst();

list.pollLast();

}

public static void main(String[] args) {

ConcurrentLinkedDeque<String> list = new ConcurrentLinkedDeque<>();

Thread[] threads = new Thread[100];

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {

AddTask addTask = new AddTask(list);

threads[i] = new Thread(addTask);

threads[i].start();

}

System.out.printf("Main: %d AddTask threads have been launched\n", threads.length);

try {

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {

threads[i].join();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.printf("Main: Size of the List: %d\n", list.size());

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {

PollTask pollTask = new PollTask(list);

threads[i] = new Thread(pollTask);

threads[i].start();

}

System.out.printf("Main: %d PollTask threads have been launched\n", threads.length);

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {

try {

threads[i].join();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.printf("Main: Size of the list: %d\n", list.size());

}

LinkedBlockingDeque 类

阻塞式线程安全列表，队列已满或为空操作不会立即执行

public LinkedBlockingDeque(int capacity) : 创建固定容量的 LinkedBlockingDeque 对象

public void put(E e) throws InterruptedException、public void putFirst(E e) throws InterruptedException、public void putLast(E e) throws InterruptedException : 向队列中结尾、开头、结尾插入元素，如果队列已满，则阻塞线程等待直到列表中有可用空间

public boolean add(E e)、public void addFirst(E e)、public void addLast(E e) : 向队列中结尾、开头、结尾插入元素，如果队列已满则抛出 IllegalStateException

public E take() throws InterruptedException、public E takeFirst() throws InterruptedException、public E takeLast() throws InterruptedException : 从列表中移除并返回第一个、第一个、最后一个元素，如果列表为空则线程将会被阻塞等待一直到列表中有元素

public E poll()、public E pollFirst()、public E pollLast() : 从列表中移除并返回第一个、第一个、最后一个元素，如果列表为空则返回 null

public E getFirst()、public E getLast() : 从列表中返回但不移除第一个、最后一个元素，如果列表为空则抛出 NoSuchElementException

public E peek()、public E peekFirst()、public E peekLast() : 取出但不移除队列中第一个、第一个、最后一个元素，如果列表为空则返回 null

public class Client implements Runnable {

private LinkedBlockingDeque<String> requestList;

public Client(LinkedBlockingDeque<String> requestList) {

this.requestList = requestList;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 3; i++) {

for (int j = 0; j < 5; j++) {

StringBuilder request = new StringBuilder();

request.append(i);

request.append(":");

request.append(j);

try {

requestList.put(request.toString());

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.printf("Client: %s at %s.\n", request, new Date());

}

try {

TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.printf("Clients: End.\n");

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

LinkedBlockingDeque<String> list = new LinkedBlockingDeque<>(3);

Client client = new Client(list);

Thread thread = new Thread(client);

thread.start();

for (int i = 0; i < 5; i++) {

for (int j = 0; j < 3; j++) {

String request = list.take();

System.out.printf("Main: Request: %s at %s. Size: %d\n", request, new Date(), list.size());

}

TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(300);

}

System.out.printf("Main: End of the program.\n");

}

PriorityBlockingQueue 类

阻塞式数据结构，所有添加的元素必须实现 Comparable 接口用于排序

public PriorityBlockingQueue() : 创建一个默认数量为 11 的队列，队列中的元素根据 Comparable 进行排序

public boolean add(E e) : 向队列中插入一个优先级队列数据

public void put(E e) : 向队列中插入一个优先级队列数据。因为队列是无界的，所以这个方法永远不会阻塞

public int size() : 返回队列中元素的个数，如果队列中元素个数超过 Integer.MAX_VALUE，则返回 Integer.MAX_VALUE

public E poll() : 移除并返回队列中第一个元素，如果队列为空则返回 null

public E take() throws InterruptedException : 移除并返回队列中第一个元素，如果队列为空则阻塞线程直到有元素取出

public E peek() : 返回但不移除队列中的数据，如果队列中的数据为空则返回 null

public void clear() : 移除队列中所有元素

public class Event implements Comparable<Event> {

private int thread;

private int priority;

public Event(int thread, int priority) {

this.thread = thread;

this.priority = priority;

}

public int getThread() {

return thread;

}

public int getPriority() {

return priority;

}

@Override

public int compareTo(Event event) {

if (this.priority > event.getPriority()) {

return -1;

} else if (this.priority < event.getPriority()) {

return 1;

}

return 0;

}

public class Task implements Runnable {

private int id;

private PriorityBlockingQueue<Event> queue;

public Task(int id, PriorityBlockingQueue<Event> queue) {

this.id = id;

this.queue = queue;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 1000; i++) {

Event event = new Event(id, i);

queue.add(event);

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

PriorityBlockingQueue<Event> queue = new PriorityBlockingQueue<>();

Thread[] taskThreads = new Thread[5];

for (int i = 0; i < taskThreads.length; i++) {

Task task = new Task(i, queue);

taskThreads[i] = new Thread(task);

taskThreads[i].start();

}

for (int i = 0; i < taskThreads.length; i++) {

taskThreads[i].join();

}

System.out.printf("Main: Queue Size: %d\n", queue.size());

for (int i = 0; i < taskThreads.length * 1000; i++) {

Event event = queue.poll();

System.out.printf("Thread %s: Priority %d\n", event.getThread(), event.getPriority());

}

System.out.printf("Main: Queue Size: %d\n", queue.size());

System.out.printf("Main: End of the program\n");

}

DelayQueue 类

用于存放带有激活日期的元素，当调用方法从队列中返回或提取元素时，未来的元素日期将被忽略

DelayQueue 类中的元素必须继承 Delayed接口，Delayed接口继承于 Comparable接口因此有 compareTo方法，这样存放的对象具有激活时间，该接口两个方法 :

1> int compareTo(T o) : 如果当前对象延迟值小于参数对象值，将返回一个小于 0 的值；延迟值大于参数对象，返回一个大于0的值；如果两者延迟值相等则返回0

2> long getDelay(TimeUnit unit) : 返回激活日期剩余时间单位

public E poll() : 返回并移除队列头数据，或者队列中没有一个过期延迟对象返回 null

public E take() throws InterruptedException : 返回并移除第一个元素，如果延迟队列中没有元素则一直等待

public int size() : 返回队列中元素的个数，如果队列中元素个数超过 Integer.MAX_VALUE，则返回 Integer.MAX_VALUE。该方法返回元素的总个数，包括活动和非活动元素

public void clear() : 移除队列中所有元素

public boolean offer(E e) : 插入特定元素到延迟队列中

public E peek() : 返回但不移除第一个元素，如果在过期队列中没有元素将返回即将过期的数据，如果依旧没有则返回 null

public class Event implements Delayed {

private Date startDate;

public Event(Date startDate) {

this.startDate = startDate;

}

@Override

public long getDelay(TimeUnit unit) {

Date now = new Date();

long diff = startDate.getTime() - now.getTime();

return unit.convert(diff, TimeUnit.MILLISECONDS);

}

@Override

public int compareTo(Delayed o) {

long result = this.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);

if (result < 0) { // 当前对象的延迟值小于参数对象值

return -1;

} else if (result > 0) { // 当前对象的延迟值大于参数对象值

return 1;

}

return 0; // 两者的延迟值相等

}

public class Task implements Runnable {

private int id;

private DelayQueue<Event> queue;

public Task(int id, DelayQueue<Event> queue) {

this.id = id;

this.queue = queue;

}

@Override

public void run() {

Date now = new Date();

Date delay = new Date();

delay.setTime(now.getTime() + (id * 1000));

System.out.printf("Thread %s: %s\n", id, delay);

for (int i = 0; i < 100; i++) {

Event event = new Event(delay);

queue.add(event);

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

DelayQueue<Event> queue = new DelayQueue<>();

Thread[] threads = new Thread[5];

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {

Task task = new Task(i + 1, queue);

threads[i] = new Thread(task);

threads[i].start();

}

for (int i = 0; i < threads.length; i++) {

threads[i].join();

}

do {

int counter = 0;

Event event;

do {

event = queue.poll();

if (event != null) {

counter++;

}

} while (event != null);

System.out.printf("At %s you have read %d events\n", new Date(), counter);

} while (queue.size() > 0);

}

线程安全可遍历

ConcurrentNavigableMap接口

该接口 public interface ConcurrentNavigableMap<K,V> extends ConcurrentMap<K,V>, NavigableMap<K,V> 有两个存放元素，一个唯一标示元素另一个是其它部分数据

ConcurrentSkipListMap类

ConcurrentSkipListMap类实现 ConcurrentNavigableMap接口，public class ConcurrentSkipListMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentNavigableMap<K,V>, Cloneable, Serializable

ConcurrentSkipListMap类内部实现是通过一个 Skip List存放数据，Skip List基于并发列表的数据结构

ConcurrentSkipListMap类插入的元素会使用键值来排序所有元素

public V put(K key, V value) : 在 map 中使用特定的 key 来关联特定的 value，如果 map 之前已经包含这个 key值，则旧值将会被取代

public Map.Entry<K,V> firstEntry() : 返回map中第一个元素，如果map为空返回 null，返回实体不支持 Entry.setValue 方法

public class Contact {

private String name;

private String phone;

public Contact(String name, String phone) {

this.name = name;

this.phone = phone;

}

public String getName() {

return name;

}

public String getPhone() {

return phone;

}

public class Task implements Runnable {

private ConcurrentSkipListMap<String, Contact> map;

private String id;

public Task(ConcurrentSkipListMap<String, Contact> map, String id) {

this.map = map;

this.id = id;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 1000; i++) {

Contact contact = new Contact(id, String.valueOf(i + 1000));

map.put(id + contact.getPhone(), contact);

}

public static void main(String[] args) {

ConcurrentSkipListMap<String, Contact> map = new ConcurrentSkipListMap<>();

Thread[] threads = new Thread[25];

int counter = 0;

for (char i = 'A'; i < 'Z'; i++) {

Task task = new Task(map, String.valueOf(i));

threads[counter] = new Thread(task);

threads[counter].start();

counter++;

}

try {

for (int i = 0; i < 25; i++) {

threads[i].join();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.printf("Main: Size of the map: %d\n", map.size());

Map.Entry<String, Contact> element = map.firstEntry();

Contact contact = element.getValue();

System.out.printf("Main: First Entry: %s: %s\n", contact.getName(), contact.getPhone());

element = map.lastEntry();

contact = element.getValue();

System.out.printf("Main: Last Entry: %s: %s\n", contact.getName(), contact.getPhone());

System.out.printf("Main: Submap from A1996 to B1002: \n");

ConcurrentNavigableMap<String, Contact> submap = map.subMap("A1996", "B1002");

do {

element = submap.pollFirstEntry();

if (element != null) {

contact = element.getValue();

System.out.printf("%s: %s\n", contact.getName(), contact.getPhone());

}

} while (element != null);

}

ThreadLocalRandom 类

ThreadLocalRandom 类线程本地变量，相比使用共享 Random对象其性能更好

public static ThreadLocalRandom current() : 返回当前线程的 ThreadLocalRandom 对象

public int nextInt(int bound) : 返回介于指定范围的数据，类似方法还有其它

public class TaskLocalRandom implements Runnable {

public TaskLocalRandom() {

ThreadLocalRandom.current();

}

@Override

public void run() {

String name = Thread.currentThread().getName();

for (int i = 0; i < 10; i++) {

System.out.printf("%s: %d\n", name, ThreadLocalRandom.current().nextInt(10));

}

public static void main(String[] args) {

Thread[] threads = new Thread[3];

for (int i = 0; i < 3; i++) {

TaskLocalRandom task = new TaskLocalRandom();

threads[i] = new Thread(task);

threads[i].start();

}

原子变量

原子变量不使用锁或其他同步机制来保护对其值的并发访问，所有操作都基于 CAS原子操作，其保证多线程在同一时间操作一个原子变量而不会反升。当一个线程在对原子变量操作时，如果其它线程试图对同一原子变量执行操作，原子变量的实现类提供一套机制来检查操作是否在一步内完成。一般来说，这个操作先获取变量值，然后在本地改变变量的值，然后试图用这个改变的值去替换之前的值。如果之前的值没有被其它线程改变，就可以执行这个替换操作。否则，方法将再执行这个操作。这个操作成为 CAS原子操作(Compare and Set)

AtomicLong 类

public final void set(long newValue) : 设置给定值

public final long getAndAdd(long delta) : 自动给定指定值到当前值，给定值可以为负数

类似的类还有 AtomicBoolean AtomicInteger 等

public class Bank implements Runnable {

private Account account;

public Bank(Account account) {

this.account = account;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 10; i++) {

account.subtractAmount(1000);

}

public class Company implements Runnable {

private Account account;

public Company(Account account) {

this.account = account;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 10; i++) {

account.addAmount(1000);

}

public class Account {

private AtomicLong balance;

public Account() {

balance = new AtomicLong();

}

public long getBalance() {

return balance.get();

}

public void setBalance(long balance) {

this.balance.set(balance);

}

public void addAmount(long amount) {

this.balance.getAndAdd(amount);

}

public void subtractAmount(long amount) {

this.balance.getAndAdd(-amount);

}

public static void main(String[] args) {

Account account = new Account();

account.setBalance(1000);

Company company = new Company(account);

Thread companyThread = new Thread(company);

Bank bank = new Bank(account);

Thread bankThread = new Thread(bank);

System.out.printf("Account : Initial Balance: %d\n", account.getBalance());

companyThread.start();

bankThread.start();

try {

companyThread.join();

bankThread.join();

System.out.printf("Account : Final Balance: %d\n", account.getBalance());

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

原子数组

当实现一个并发应用时，将不可避免地会有多线程共享一个或多个对象的现象，为避免数据不一致问题需要使用同步机制(锁或synchronized关键字) 来保护这些共享属性的访问，但是同步机制存在问题 :

1> 死锁 : 一个线程被阻塞，并且试图获得锁正在被其它线程使用，但其它线程永远不会释放这个锁。这种情况使得应用不会继续执行，永远不会结束

2> 即是只有一个线程访问共享对象，它仍然需要执行必须的代码来获取和释放锁

未解决这种问题，Java引入比较和交换操作(Compare-and-Swap Operation)，该操作使用以下三个变量值 :

1> 取得变量值，即变量的旧值

2> 在一个临时变量中修改变量值，即变量的新值

3> 如果上面获得的变量值与当前变量值相等，就用新值替换旧值。如果已有其它线程修改这个变量值，上面获得的变量的旧值就可能与当前变量值不同

采用比较和交换机制不需要使用同步机制，不仅可以避免死锁而且性能更好

Java在原子变量中实现这种机制

AtomicIntegerArray 类

public final int getAndDecrement(int i) : 在指定索引处的元素自动减一

public final int getAndIncrement(int i) : 在指定索引处的元素自动加一

public class Incrementer implements Runnable {

private AtomicIntegerArray vector;

public Incrementer(AtomicIntegerArray vector) {

this.vector = vector;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < vector.length(); i++) {

vector.getAndIncrement(i);

}

public class Decrementer implements Runnable {

private AtomicIntegerArray vector;

public Decrementer(AtomicIntegerArray vector) {

this.vector = vector;

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < vector.length(); i++) {

vector.getAndDecrement(i);

}

public static void main(String[] args) {

final int THREADS = 100;

AtomicIntegerArray vector = new AtomicIntegerArray(1000);

Incrementer incrementer = new Incrementer(vector);

Decrementer decrementer = new Decrementer(vector);

Thread[] threadIncrementer = new Thread[THREADS];

Thread[] threadDecrementer = new Thread[THREADS];

for (int i = 0; i < THREADS; i++) {

threadIncrementer[i] = new Thread(incrementer);

threadDecrementer[i] = new Thread(decrementer);

threadIncrementer[i].start();

threadDecrementer[i].start();

}

try {

for (int i = 0; i < THREADS; i++) {

threadIncrementer[i].join();

threadDecrementer[i].join();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

for (int i = 0, len = vector.length(); i < len; i++) {

if (vector.get(i) != 0) {

System.out.println("Vector[" + i + "] : " + vector.get(i));

}

System.out.println("Main: End of the example");

}

Java 并发集合 详解

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