Java 入门指南：Java 并发编程 —— 并发容器 ConcurrentSkipListSet

news2024/9/22 13:31:58

SkipList

SkipList（跳表）是一种有序链表加多级索引数据结构，基于有序的单链表，类似于平衡二叉树，但其查找、插入和删除操作的时间复杂度都是 O(logN)，并且不需要进行旋转平衡等复杂操作。

跳表利用二分查找的思想，通过添加多层索引来加速查找的过程，因此可以有效地支持高效的插入、删除和查找操作。

Redis 中的有序集合 sorted set 就是用跳表实现的

实现原理

跳表的基本结构包含多个层级，每个层级都是一个有序链表。最底层是最完整的有序链表，每个节点都包含一个值和一个指向下一个节点的指针。其他层级通过连接部分节点来实现跨级访问，即跳跃查找。

构建跳表

建立一级索引

为了提高查找效率，使用 二分查找 的思想，对有序链表建立一级“索引”。每两个节点提取一个节点到索引层。索引层中的每个节点都包含两个指针，一个 next 指针，指向下一个节点，一个 down 指针，指向下一级节点。
建立二级索引

与建立一级索引的方式类似，在第一级索引的基础上，每两个节点抽出一个节点到第二级索引

![[SkipList.png]]

通过建立索引的方式，对于数据量越大的有序链表，通过建立多级索引，查找效率提升会非常明显。

基本操作

跳表的插入、删除和查找操作都从最顶层开始，逐层向下进行。

查找操作从最顶层的头节点开始，根据节点值的大小与目标值进行比较：

如果小于目标值，继续移动到当前层级的下一个节点
如果大于目标值，则将层级降低到下一层级，继续比较。直到找到目标值或者无法继续降低层级，查找结束。

插入和删除操作类似于查找操作，也是从最顶层开始，按照相同的方式进行查找，找到对应位置后进行插入或删除节点，并调整层级索引。

优点

跳表的优势在于简单、高效，并且不需要进行复杂的平衡操作。其时间复杂度与平衡二叉树相当，但实现起来更简单。然而，跳表相对于平衡二叉树的空间复杂度稍高，因为需要维护多层索引。

跳表在实际应用中广泛用于需要高效的有序查找的场景，特别是在并发环境下，因为跳表的结构对并发操作友好，可以提供较好的并发性能。

ConcurrentSkipListSet

ConcurrentSkipListSet 是 Java 中的一个线程安全集合类，实现了SortedSet 接口，并基于跳表数据结构进行实现。它支持高效的插入、删除和查找操作，并提供了强一致性、线程安全的操作保证。

ConcurrentSkipListSet 底层基于跳表，每个节点包含一个值和多个指向下一个节点的指针。

在插入、删除、查找元素时，ConcurrentSkipListSet 会从节点的最高层级开始查找，并逐层降低层级，直到找到对应的节点或无法继续降低层级。

ConcurrentSkipListSet (Java SE 11 & JDK 11 ) (oracle.com)

应用场景

高并发访问的有序集合：在需要频繁插入、删除和查找有序元素的多线程环境中，ConcurrentSkipListSet 是一个理想的选择。
排行榜系统：如电商系统中的热门商品排行榜，可以根据销量、评分等因素实时更新排名。
任务调度系统：根据任务的优先级进行排序，并允许动态添加或取消任务。

特点

ConcurrentSkipListSet 的特性如下：

线程安全：ConcurrentSkipListSet 支持多线程的并发访问，保证了线程安全性。
有序集合：ConcurrentSkipListSet 继承了 SortedSet 接口，保证了有序的元素集合。
可能存在重复元素：ConcurrentSkipListSet 可以存在相同的元素，因此在插入元素时需要注意。
高效的插入、删除和查找操作：ConcurrentSkipListSet 采用跳表的数据结构，在高度平衡与高效性之间取得了一个良好的平衡，具有较高的速度。

常用方法

add(E e)：将指定的元素添加到集合中，如果已存在则不进行添加。
remove(Object o)：从集合中移除指定的元素，如果不存在则不进行移除。
contains(Object o)：判断集合是否包含指定的元素，返回布尔值。
isEmpty()：判断集合是否为空，如果为空则返回true，否则返回false。
size()：返回集合中元素的数量。
first()：获取集合中的第一个元素。
last()：获取集合中的最后一个元素。
headSet(E toElement)：返回一个子集合，包含所有小于给定元素的元素。
tailSet(E fromElement)：返回一个子集合，包含所有大于等于给定元素的元素。
subSet(E fromElement, E toElement)：返回一个子集合，包含所有在给定范围之内的元素。
iterator()：返回集合的迭代器，用于遍历集合的元素。

构造方法

创建一个空的 ConcurrentSkipListSet，使用元素的自然顺序进行排序。

ConcurrentSkipSet()

创建一个空的 ConcurrentSkipListSet，使用指定的比较器对元素进行排序。

ConcurrentSkipListSet(Comparator<? super E> comparator)

创建一个包含指定集合的元素的 ConcurrentSkipListSet。

ConcurrentSkipListSet(Collection<? extends E> collection)

创建一个包含指定排序集合的元素的 ConcurrentSkipListSet。

ConcurrentSkipListSet(SortedSet<E> set)

使用示例

以下是一个使用 ConcurrentSkipListSet 基本操作的简单示例

import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListSet;

public class ConcurrentSkipListSetExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 ConcurrentSkipListSet 实例
        ConcurrentSkipListSet<Integer> skipListSet = new ConcurrentSkipListSet<>();

        // 插入元素
        skipListSet.add(3);
        skipListSet.add(1);
        skipListSet.add(4);
        skipListSet.add(2);

        // 输出集合
        System.out.println("Initial Set: " + skipListSet);

        // 判断是否存在元素
        boolean contains = skipListSet.contains(5);
        System.out.println("Contains '5': " + contains);

        // 添加重复元素
        boolean added = skipListSet.add(1);
        System.out.println("Added '1' again: " + added);

        // 删除元素
        boolean removed = skipListSet.remove(3);
        System.out.println("Removed '3': " + removed);

        // 使用 headSet 和 tailSet
        System.out.println("Head Set (up to 3): " + skipListSet.headSet(3));
        System.out.println("Tail Set (from 3): " + skipListSet.tailSet(3));

        // 使用 subSet
        System.out.println("Sub Set (from 2 to 4): " + skipListSet.subSet(2, 4));

        // 遍历所有元素
        skipListSet.forEach(item -> System.out.println("Item: " + item));

        // 清空集合
        skipListSet.clear();
    }
}