並發集合

概述

Java 提供了多種執行緒安全的集合類，用於在多執行緒環境下安全地操作資料。

執行緒安全選項比較

BlockingQueue 阻塞隊列

BlockingQueue 是一個支援阻塞操作的 FIFO 佇列。

實現類別

操作方法

行為說明：

• 拋出異常：
  • 隊列滿時，add() 拋出 IllegalStateException: Queue full
  • 隊列空時，remove() 拋出 NoSuchElementException
• 特殊值：
  • offer() 成功返回 true，失敗返回 false
  • poll() 成功返回元素，失敗返回 null
• 阻塞：
  • 隊列滿時，put() 會阻塞直到有空間
  • 隊列空時，take() 會阻塞直到有元素
• 超時：
  • 阻塞指定時間後，超時則退出

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是執行緒安全的 HashMap 實現。

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key1", 1);
map.putIfAbsent("key2", 2);  // 原子操作
map.compute("key1", (k, v) -> v + 1);  // 原子操作

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 是執行緒安全的 ArrayList 變體。

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add("item1");
list.add("item2");

// 迭代時可以安全地修改
for (String item : list) {
    System.out.println(item);
    list.add("newItem");  // 不會拋出 ConcurrentModificationException
}

執行緒安全的資料結構

以下是常用的並發資料結構：

Lock-Free 資料結構

技術原理

Lock-Free 資料結構主要使用 CAS（Compare and Swap）操作實現。

實現範例

• Lock-Free Stack
• Lock-Free LinkedList
• Disruptor
• Ring Buffer
• ConcurrentLinkedQueue
• ConcurrentLinkedDeque
• AtomicXXX 類別（AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference 等）

AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
counter.incrementAndGet();  // 原子遞增
counter.compareAndSet(1, 2);  // CAS 操作

ArrayList vs Vector

Collection 的執行緒安全選擇

  flowchart TB
    Q{需要執行緒安全?}
    Q -->|否| A[ArrayList / HashMap]
    Q -->|是| S{讀寫比例?}
    S -->|讀多寫少| C[CopyOnWriteArrayList]
    S -->|讀寫均衡| CH[ConcurrentHashMap / Collections.synchronized*]
    S -->|需要阻塞| B[BlockingQueue 系列]

參考資源

• Java Thread Practices Collection