Java并发包（JUC）之`ConcurrentSkipListMap`与`ConcurrentSkipListSet`深度解析-优快云博客

Java并发包（JUC）之`ConcurrentSkipListMap`与`ConcurrentSkipListSet`深度解析

ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet是Java并发包（java.util.concurrent）中提供的线程安全有序容器，均基于跳跃表（Skip List）数据结构实现，专为高并发场景设计。以下从数据结构、并发控制、性能特点、适用场景及代码示例等维度进行详细解析。

一、数据结构：跳跃表（Skip List）

1. 跳跃表原理

多层链表：由多层有序链表组成，最底层（Level 1）包含所有元素，上层链表是下层的稀疏子集。
随机层数：插入元素时，通过随机算法决定其层数（通常基于几何分布），层数越高，元素出现的概率越低。
高效查找：从最高层开始，沿索引快速定位目标节点，逐步下降到最底层，时间复杂度接近O(log n)。

2. 节点结构

Node类：包含键（Key）、值（Value）及指向右侧和下方节点的指针。
Index类：表示跳表的索引节点，维护指向右侧和下方索引节点的指针。

二、并发控制：无锁算法（CAS）

1. CAS操作

通过sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapObject方法实现原子更新，确保节点指针的修改是线程安全的。
例如，在插入节点时，通过CAS操作更新前驱节点的next指针，避免竞态条件。

2. 逻辑删除

删除节点时，先标记为“已删除”（通过设置标记位），再物理移除，防止并发冲突。
其他线程在访问节点时，会检测标记位并跳过已删除节点。

3. 前驱节点查找

在插入、删除等操作前，通过遍历索引链表找到目标节点的前驱节点集合。
基于前驱节点的CAS操作实现线程安全的节点更新。

三、性能特点

特性	描述	优势场景
高并发性能	无锁设计减少线程阻塞，适合多线程竞争场景	高并发读写操作、实时系统
有序性	元素按自然顺序或自定义比较器排序，支持范围查询	需要有序数据的场景（如排行榜）
时间复杂度	查找、插入、删除操作的平均时间复杂度为O(log n)	数据量较大且需要高效操作的场景
空间复杂度	需要额外空间存储多层索引，空间复杂度为O(n)	对内存敏感度较低的场景

四、适用场景

1. `ConcurrentSkipListMap`

实时数据索引：如股票价格、传感器数据等需要快速插入和查询的场景。
范围查询：支持高效的范围查询操作（如subMap、headMap）。
线程安全映射表：替代非线程安全的TreeMap，提供高并发性能。

2. `ConcurrentSkipListSet`

有序集合：如排行榜、去重计数等需要有序且线程安全的场景。
高并发Set操作：替代非线程安全的TreeSet，支持高并发读写。

五、代码示例

1. `ConcurrentSkipListMap`

import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListMap;

public class SkipListMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentSkipListMap<Integer, String> map = new ConcurrentSkipListMap<>();

        // 添加键值对
        map.put(1, "One");
        map.put(2, "Two");
        map.put(3, "Three");

        // 获取值
        String value = map.get(2);
        System.out.println("Value for key 2: " + value);

        // 范围查询
        ConcurrentSkipListMap<Integer, String> subMap = map.subMap(1, 3);
        System.out.println("SubMap: " + subMap);
    }
}

2. `ConcurrentSkipListSet`

import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListSet;

public class SkipListSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentSkipListSet<Integer> set = new ConcurrentSkipListSet<>();

        // 添加元素
        set.add(10);
        set.add(20);
        set.add(30);

        // 判断是否包含元素
        boolean contains = set.contains(20);
        System.out.println("Contains 20: " + contains);

        // 迭代器遍历
        for (Integer num : set) {
            System.out.println("Number: " + num);
        }
    }
}

六、与类似容器对比

对比项	`ConcurrentSkipListMap`	`TreeMap`	`ConcurrentHashMap`
线程安全	线程安全（无锁）	非线程安全	线程安全（分段锁/CAS）
有序性	支持（按Key排序）	支持（按Key排序）	不支持
并发性能	高（无锁设计）	低（需外部同步）	高（分段锁/CAS）
适用场景	高并发有序映射	单线程有序映射	高并发无序映射

对比项	`ConcurrentSkipListSet`	`TreeSet`	`HashSet`
线程安全	线程安全（无锁）	非线程安全	非线程安全
有序性	支持（按元素排序）	支持（按元素排序）	不支持
并发性能	高（无锁设计）	低（需外部同步）	低（需外部同步）
适用场景	高并发有序集合	单线程有序集合	高并发无序集合

七、最佳实践与注意事项

合理选择容器：
- 需要有序且线程安全的映射表时，优先选择ConcurrentSkipListMap。
- 需要有序且线程安全的集合时，优先选择ConcurrentSkipListSet。
避免滥用范围查询：
- 范围查询操作（如subMap）会返回视图对象，修改视图会影响原容器。
- 需频繁范围查询时，考虑复制数据到新容器。
监控容器状态：
- size()方法返回近似值，精确统计需遍历所有元素。
- 监控容器负载，避免内存溢出。
处理空值：
- ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet均不允许null键或元素。