6 并发编程之并发集合类

在 Java 的并发编程中，传统的集合类如 ArrayList、HashMap 并不安全，无法在多线程环境中保证数据的一致性和安全性。为了满足并发环境下的数据操作需求，Java 提供了一系列并发集合类，这些类在 java.util.concurrent 包中定义。本篇文章将详细介绍这些并发集合类，帮助你在并发编程中更好地管理数据。

1. 为什么需要并发集合类？

在多线程环境下，多个线程可以同时访问和修改共享数据，这就可能导致数据的不一致或错误。并发集合类通过内部的同步机制，使得多个线程在访问集合时能够安全地进行操作。

2. 常用的并发集合类

2.1 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是一个线程安全的哈希表，允许并发读取和更新操作。它使用了一种分段锁定的机制来提高性能。

示例代码：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

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

        // 向集合中放置数据
        map.put("A", 1);
        map.put("B", 2);

        // 创建多个线程来并发更新集合
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                map.put(Thread.currentThread().getName(), i);
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        t1.start();
        t2.start();

        // 等待线程结束
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出集合中的数据
        System.out.println("Final map: " + map);
    }
}

2.2 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的变体，可以在写操作时进行复制操作，提高了读取的性能。适用于读多写少的场景。

示例代码：

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

public class CopyOnWriteArrayListExample {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

        // 向集合中添加元素
        list.add("A");
        list.add("B");

        // 创建多个线程来并发读取和更新集合
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                list.add(Thread.currentThread().getName() + " - " + i);
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        t1.start();
        t2.start();

        // 等待线程结束
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出集合中的数据
        System.out.println("Final list: " + list);
    }
}

2.3 BlockingQueue

BlockingQueue 接口有多种实现，例如 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，这些队列可以在并发生产者-消费者模型中扮演重要角色。它们支持阻塞操作，如当队列为空时，消费者线程会被阻塞，直到有新元素可用。

示例代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;

public class BlockingQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);

        // 生产者线程
        Runnable producer = () -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    queue.put(i);
                    System.out.println("Produced: " + i);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        };

        // 消费者线程
        Runnable consumer = () -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    int value = queue.take();
                    System.out.println("Consumed: " + value);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        };

        Thread producerThread = new Thread(producer);
        Thread consumerThread = new Thread(consumer);
        
        producerThread.start();
        consumerThread.start();

        // 等待线程结束
        try {
            producerThread.join();
            consumerThread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3. 总结

在并发编程中，选择合适的并发集合类对于保证数据安全与提高性能至关重要。通过上面几种集合类的学习，我们可以看到它们在多线程环境中的优势和适用场景。

在本文中，我们重点介绍了 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 和 BlockingQueue，这些都是进行高效并发编程时常用的工具。接下来，我们将会学习 Java 8 的新特性之一，即 Lambda 表达式，这一特性将使得我们的代码更加简洁和易于维护。