深入理解Java中的ConcurrentSkipListMap：高效并发的有序映射

公众号:码到三十五

修改于 2024-03-21 08:13:58

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一、引言

在Java中，Map是一种非常重要的数据结构，用于存储键值对。在多线程环境下，为了保证数据的一致性和线程安全，我们需要使用并发映射。Java提供了多种并发映射实现，如ConcurrentHashMap、Hashtable等。其中，ConcurrentSkipListMap是一种特殊的有序映射，它基于跳表（Skip List）数据结构实现，提供了高并发的插入、删除和查找操作。

二、跳表数据结构简介

在介绍ConcurrentSkipListMap之前，我们首先需要了解跳表数据结构。跳表是一种动态数据结构，通过维护多个指向其他节点的链接，实现快速查找、插入和删除操作。跳表在查找效率上可以与平衡树相媲美，但在实现上更为简单。

跳表的基本思想是将有序链表分层，每个节点在不同层中拥有不同数量的前向指针。上层链表是下层链表的子集，且上层链表中的元素顺序与下层链表一致。通过增加指针和添加层级的方式，跳表可以实现对数级别的查找效率。

三、ConcurrentSkipListMap的工作原理

ConcurrentSkipListMap基于跳表数据结构实现，并采用了无锁算法（Lock-Free）来保证高并发性能。它允许多个线程同时对映射执行插入、删除和查找操作，而无需等待其他线程完成。

3.1. 数据结构

ConcurrentSkipListMap中的节点包含键值对、前向指针数组以及层数信息。前向指针数组用于指向同一层中的下一个节点，层数信息表示该节点在跳表中的层级。此外，ConcurrentSkipListMap还维护了一个头节点（Header），用于表示跳表的起始位置。

3.2. 插入操作

在插入新节点时，ConcurrentSkipListMap首先确定新节点的层数，然后在每一层中找到合适的插入位置。为了保证线程安全，ConcurrentSkipListMap采用了乐观锁技术（CAS操作）来确保节点插入的原子性。在插入过程中，如果有其他线程对同一位置进行了修改，当前线程将重试插入操作，直到成功为止。

3.3. 删除操作

删除操作与插入操作类似，首先需要定位到待删除节点在各个层级中的位置。然后，使用CAS操作将待删除节点的前一个节点指向待删除节点的下一个节点，从而完成删除。同样地，如果删除过程中发生竞争，当前线程将重试删除操作。

3.4. 查找操作

查找操作从最高层开始，沿着前向指针逐层向下搜索，直到找到目标节点或搜索到最底层为止。由于跳表的特性，查找操作的平均时间复杂度为O(log n)，其中n为节点数量。

四、ConcurrentSkipListMap的性能特点

高并发性能：ConcurrentSkipListMap采用了无锁算法和乐观锁技术，使得多个线程可以同时执行插入、删除和查找操作，从而实现高并发性能。
有序性：与ConcurrentHashMap等无序映射相比，ConcurrentSkipListMap中的元素按照键的自然顺序排列。这使得它在某些场景下（如范围查询）具有更好的性能表现。
内存占用较高：由于跳表数据结构需要维护多个层级的前向指针，因此ConcurrentSkipListMap的内存占用相对较高。在节点数量较多时，可能会成为性能瓶颈。

五、使用场景

ConcurrentSkipListMap适用于以下场景：

需要支持高并发插入、删除和查找操作的有序映射；
需要进行范围查询、排序等操作的应用场景；
对数据一致性要求较高的系统。

六、ConcurrentSkipListMap使用

下面这个ConcurrentSkipListMap的使用案例，演示了如何在多线程环境中进行插入、查找和遍历操作。我们模拟一个电商系统的商品库存管理，使用ConcurrentSkipListMap存储商品及其库存数量，并保证高并发的性能。

import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ConcurrentSkipListMapExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个支持高并发的有序映射，用于存储商品和库存
        Map<String, Integer> inventory = new ConcurrentSkipListMap<>();

        // 初始化库存数据
        initInventory(inventory);

        // 创建一个线程池来模拟高并发环境
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 模拟并发增加库存操作
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executor.submit(() -> addInventory(inventory, "商品A", 10));
            executor.submit(() -> addInventory(inventory, "商品B", 5));
            executor.submit(() -> addInventory(inventory, "商品C", 3));
        }

        // 等待所有任务执行完毕
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
            // 等待所有任务完成
        }

        // 打印库存情况
        printInventory(inventory);

        // 模拟并发查询库存操作
        executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.submit(() -> checkInventory(inventory, "商品A"));
            executor.submit(() -> checkInventory(inventory, "商品B"));
            executor.submit(() -> checkInventory(inventory, "商品C"));
        }

        // 等待所有查询任务执行完毕
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {
            // 等待所有查询任务完成
        }
    }

    /**
     * 初始化库存数据
     * @param inventory 库存映射
     */
    private static void initInventory(Map<String, Integer> inventory) {
        inventory.put("商品A", 100);
        inventory.put("商品B", 50);
        inventory.put("商品C", 30);
    }

    /**
     * 增加库存
     * @param inventory 库存映射
     * @param productName 商品名称
     * @param quantity 增加的数量
     */
    private static void addInventory(Map<String, Integer> inventory, String productName, int quantity) {
        // 库存增加操作
        inventory.merge(productName, quantity, Integer::sum);
        System.out.println("为 " + productName + " 增加了 " + quantity + " 件库存，当前库存为：" + inventory.get(productName));
    }

    /**
     * 打印库存情况
     * @param inventory 库存映射
     */
    private static void printInventory(Map<String, Integer> inventory) {
        System.out.println("当前库存情况：");
        for (Map.Entry<String, Integer> entry : inventory.entrySet()) {
            System.out.println("商品名称：" + entry.getKey() + "，库存数量：" + entry.getValue());
        }
    }

    /**
     * 检查库存
     * @param inventory 库存映射
     * @param productName 商品名称
     */
    private static void checkInventory(Map<String, Integer> inventory, String productName) {
        Integer stock = inventory.get(productName);
        if (stock != null) {
            System.out.println("查询到 " + productName + " 的库存为：" + stock);
        } else {
            System.out.println("未找到商品 " + productName + " 的库存信息。");
        }
    }
}

上述代码中，由于使用了ExecutorService的shutdown和isTerminated方法来等待任务执行完成，这种方式可能并不总是最有效的，因为isTerminated是一个阻塞操作，它只是简单地轮询直到所有任务都完成。在实际应用中，可能会考虑使用CountDownLatch、CyclicBarrier或Future等机制来更有效地同步任务的完成。

inventory.merge()方法被用于以原子方式更新库存，它是ConcurrentSkipListMap提供的一个适合高并发环境的方法。