Какие существуют Concurrent Collections и в чём их особенности?

Пакет java.util.concurrent содержит потокобезопасные коллекции, спроектированные для эффективной работы в многопоточной среде без внешней синхронизации.

1. ConcurrentHashMap — основная рабочая лошадка

Потокобезопасная хэш-таблица, заменяющая Hashtable и Collections.synchronizedMap().

• Не блокирует всю таблицу — в Java 8+ использует блокировку на уровне отдельных бакетов + CAS.
• Операции чтения обычно без блокировки.
• Не допускает null ни как ключ, ни как значение.
• Итератор weakly consistent.

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key1", 1);

// Атомарные составные операции
map.putIfAbsent("key2", 2);
map.compute("key1", (key, value) -> value + 1);
map.merge("key1", 10, Integer::sum);

// Параллельные агрегатные операции (Java 8+)
long count = map.reduceValues(1, Long::sum);
map.forEach(2, (key, value) -> System.out.println(key + "=" + value));

2. CopyOnWriteArrayList — для редко изменяемых списков

Каждая мутация создаёт новую копию внутреннего массива.

• Чтение — без блокировки, без затрат.
• Запись — дорогая (копирование всего массива).
• Идеально для списков слушателей/observers.
• Итератор — snapshot, не выбрасывает ConcurrentModificationException.

3. CopyOnWriteArraySet — Set на базе CopyOnWriteArrayList.

4. ConcurrentLinkedQueue — lock-free очередь

Неблокирующая очередь на алгоритме Майкла-Скотта.

• Использует CAS-операции.
• size() — O(n), дорогая операция.
• Не ограничена по размеру.

5. ConcurrentLinkedDeque — lock-free двусторонняя очередь.

6. BlockingQueue (интерфейс) и реализации:

BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(100);
queue.put("данные");       // блокирует, если заполнена
String data = queue.take(); // блокирует, если пуста

7. ConcurrentSkipListMap и ConcurrentSkipListSet — потокобезопасные отсортированные коллекции (аналоги TreeMap/TreeSet). Все операции O(log n).

Сравнение подходов к потокобезопасности:

Частые ошибки:

• CopyOnWriteArrayList для часто изменяемых коллекций — каждая модификация копирует массив.
• if (!map.containsKey(key)) map.put(key, value) — не атомарно! Используйте putIfAbsent().
• size() на ConcurrentLinkedQueue в цикле — O(n) на каждый вызов.
• null в ConcurrentHashMap — запрещено, бросит NullPointerException.

Выбор коллекции:

На собеседовании частый вопрос: «Почему ConcurrentHashMap не допускает null?» Ответ: в отличие от HashMap, где null-значение можно отличить от отсутствия ключа через containsKey(), в конкурентной среде между containsKey() и get() состояние может измениться, поэтому null создал бы неоднозначность.