Java高并发编程（2）

以下是针对并发编程中线程安全 List、ConcurrentLinkedQueue、BlockingQueue 及跳表的详细解析，结合原理、使用场景和代码示例进行说明：

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一、线程安全 List 的实现类及使用场景

1. CopyOnWriteArrayList

   • 原理：采用写时复制（Copy-On-Write），每次修改操作（如 add、set）会复制底层数组，在新数组上操作，避免读写冲突。
   • 适用场景：读多写极少（如缓存、配置管理）。
   • 优点：读操作无锁，迭代器弱一致性（不抛 ConcurrentModificationException）。
   • 缺点：写操作昂贵（复制整个数组），内存占用高。
   • 示例：

     List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
     list.add("A"); // 写时复制
     String item = list.get(0); // 读操作无锁
     

2. Collections.synchronizedList()

   • 原理：通过 synchronized 关键字对所有方法加锁（如 get、add）。
   • 适用场景：低并发写入场景。
   • 缺点：锁粒度大，高并发时性能差；迭代时需手动加锁避免 ConcurrentModificationException。
   • 示例：

     List<String> syncList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
     synchronized(syncList) { // 迭代时手动加锁for (String s : syncList) { ... }
     }
     

3. 其他线程安全方案

   • Vector：历史遗留类，所有方法用 synchronized 修饰，性能较差，不推荐使用。
   • ConcurrentHashMap + List：按 Key 分区存储，减少锁竞争，适合大数据量分类存储。

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二、ConcurrentLinkedQueue（无锁并发队列）

核心特性

• 非阻塞无锁设计：基于 CAS（Compare-And-Swap）实现线程安全，无锁竞争。
• 无界队列：动态扩展链表节点，理论容量无限（受限于内存）。
• FIFO 顺序：严格保证先进先出。

使用场景

• 高并发写入：如日志收集、事件总线（生产者远多于消费者）。
• 非阻塞任务队列：需要高吞吐且无需等待的场景。

常用方法

方法	作用	返回值
offer(e)	插入元素（尾部）	true（总是成功）
poll()	移除并返回头部元素（队列空则返回 null）	元素或 null
peek()	查看头部元素（不移除）	元素或 null
isEmpty()	判断队列是否为空	boolean
size()	O(n) 时间复杂度，慎用！	队列元素数量

代码示例

ConcurrentLinkedQueue<String> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
// 生产者线程
queue.offer("Task1");
// 消费者线程
String task = queue.poll();
if (task != null) {System.out.println("Processed: " + task);
}

注意：size() 方法需遍历链表，性能差，避免高频调用。

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三、BlockingQueue（阻塞队列）

核心特性

• 阻塞操作：
  • 队列空时，消费者调用 take() 阻塞等待；
  • 队列满时，生产者调用 put() 阻塞等待。
• 有界/无界：ArrayBlockingQueue 固定大小，LinkedBlockingQueue 可选有界（默认 Integer.MAX_VALUE）。
• 线程安全：内部通过 ReentrantLock 实现同步。

使用场景

• 生产者-消费者模式：如线程池任务队列（ThreadPoolExecutor 默认使用 LinkedBlockingQueue）。
• 流量控制：通过有界队列限制系统负载（如防止内存溢出）。

常用实现类

实现类	特点
ArrayBlockingQueue	数组实现，固定容量，公平锁可选
LinkedBlockingQueue	链表实现，可选容量，吞吐量高
Prio