ConcurrentSkipListSet

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说明：阅读本文之前，请先掌握本文前置知识： 跳表 核心原理 图解，以及ConcurrentSkipListMap - 秒懂。

JUC 高并发工具类（3文章）与高并发容器类（N文章） ：

• 1 CyclicBarrier 使用&核心原理 图解
• 2 countDownLatch 使用&核心原理 图解
• 3 Semaphore 使用&核心原理 图解
• 4 跳表 核心原理 图解
• 5 ConcurrentSkipListMap - 秒懂
• 6 ConcurrentSkipListSet - 秒懂

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1 ConcurrentSkipListSet简介

ConcurrentSkipListSet，是J.U.C新增的一个集合工具类，顾名思义，它是一种SET类型。

SET类型，在数学上称为“集合”，具有互异性、无序性的特点，也就是说SET中的任意两个元素均不相同（即不包含重复元素），且元素是无序的。

JDK提供的默认SET实现——HashSet，其实就是采用“组合”的方式——内部引用了一个HashMap对象，以此实现SET的功能。

ConcurrentSkipListSet与ConcurrentSkipListMap的关系，与SET与HashMap的关系类似，就是采用“组合”的方式: ConcurrentSkipListSet组合了一个ConcurrentSkipListMap，将元素作为 ConcurrentSkipListMap的key存放。

2 ConcurrentSkipListSet原理

2.1 ConcurrentSkipListSet的类继承图

我们来看下ConcurrentSkipListSet的类继承图：

2.2 内部结构

ConcurrentSkipListSet的数据结构，如下图所示：

说明：

(01) ConcurrentSkipListSet继承于AbstractSet。因此，它本质上是一个集合。

(02) ConcurrentSkipListSet实现了NavigableSet接口。因此，ConcurrentSkipListSet是一个有序的集合。

(03) ConcurrentSkipListSet是通过组合ConcurrentSkipListMap实现的。它包含一个ConcurrentNavigableMap对象m，而m对象实际上是ConcurrentNavigableMap的实现类ConcurrentSkipListMap的实例。ConcurrentSkipListMap中的元素是key-value键值对；而ConcurrentSkipListSet是集合，它只用到了ConcurrentSkipListMap中的key！

2.3 构造器

ConcurrentSkipListSet的实现非常简单，其内部引用了一个ConcurrentSkipListMap对象，所有API方法均委托ConcurrentSkipListMap对象完成：

public class ConcurrentSkipListSet<E> extends AbstractSet<E>
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable {

    /**
     * The underlying map. Uses Boolean.TRUE as value for each
     * element.  This field is declared final for the sake of thread
     * safety, which entails some ugliness in clone().
     */
    private final ConcurrentNavigableMap<E, Object> m;

    public ConcurrentSkipListSet() {
        m = new ConcurrentSkipListMap<E, Object>();
    }

    public ConcurrentSkipListSet(Comparator<? super E> comparator) {
        m = new ConcurrentSkipListMap<E, Object>(comparator);
    }

    public ConcurrentSkipListSet(Collection<? extends E> c) {
        m = new ConcurrentSkipListMap<E, Object>();
        addAll(c);
    }

    public ConcurrentSkipListSet(SortedSet<E> s) {
        m = new ConcurrentSkipListMap<E, Object>(s.comparator());
        addAll(s);
    }

    ConcurrentSkipListSet(ConcurrentNavigableMap<E, Object> m) {
        this.m = m;
    }
    
    // ...
}

从上述代码可以看出，ConcurrentSkipListSet在构造时创建了一个ConcurrentSkipListMap对象，并由字段m引用，所以其实ConcurrentSkipListSet就是一种跳表类型的数据结构，其平均增删改查的时间复杂度均为O(logn)。

2.4 核心方法

我们来看下ConcurrentSkipListSet是如何实现API方法的：

public int size() {
    return m.size();
}

public boolean isEmpty() {
    return m.isEmpty();
}

public boolean contains(Object o) {
    return m.containsKey(o);
}


public boolean add(E e) {
    return m.putIfAbsent(e, Boolean.TRUE) == null;
}

public boolean remove(Object o) {
    return m.remove(o, Boolean.TRUE);
}

public void clear() {
    m.clear();
}
 
//...

从上述代码可以看出，所有操作均是委托ConcurrentSkipListMap对象完成的。重点看下add方法：

public boolean add(E e) {

​ return m.putIfAbsent(e, Boolean.TRUE) == null;

}

ConcurrentSkipListMap对键值对的要求是均不能为null，所以ConcurrentSkipListSet在插入元素的时候，用一个Boolean.TRUE对象（相当于一个值为true的Boolean型对象）作为value，同时putIfAbsent可以保证不会存在相同的Key。

所以，最终跳表中的所有Node结点的Key均不会相同，且值都是Boolean.True。

3 ConcurrentSkipListSet适用场景

ConcurrentSkipListSet是线程安全的有序的集合，适用于高并发的场景。

ConcurrentSkipListSet和TreeSet

ConcurrentSkipListSet和TreeSet，它们虽然都是有序的集合。但是，第一，它们的线程安全机制不同，TreeSet是非线程安全的，而ConcurrentSkipListSet是线程安全的。第二，ConcurrentSkipListSet是通过ConcurrentSkipListMap实现的，而TreeSet是通过TreeMap实现的。

4 使用例子

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;

/*
 *   ConcurrentSkipListSet是“线程安全”的集合，而TreeSet是非线程安全的。
 *
 *   下面是“多个线程同时操作并且遍历集合set”的示例
 *   (01) 当set是ConcurrentSkipListSet对象时，程序能正常运行。
 *   (02) 当set是TreeSet对象时，程序会产生ConcurrentModificationException异常。
 *
 * @author skywang
 */
public class ConcurrentSkipListSetDemo1 {

    // TODO: set是TreeSet对象时，程序会出错。
    //private static Set<String> set = new TreeSet<String>();
    private static Set<String> set = new ConcurrentSkipListSet<String>();
    public static void main(String[] args) {

        // 同时启动两个线程对set进行操作！
        new MyThread("a").start();
        new MyThread("b").start();
    }

    private static void printAll() {
        String value = null;
        Iterator iter = set.iterator();
        while(iter.hasNext()) {
            value = (String)iter.next();
            System.out.print(value+", ");
        }
        System.out.println();
    }

    private static class MyThread extends Thread {
        MyThread(String name) {
            super(name);
        }
        @Override
        public void run() {
                int i = 0;
            while (i++ < 10) {
                // “线程名” + "序号"
                String val = Thread.currentThread().getName() + (i%6);
                set.add(val);
                // 通过“Iterator”遍历set。
                printAll();
            }
        }
    }
}

运行程序，结果如下：

a1, b1, 
a1, a1, a2, b1, 
b1, a1, a2, a3, b1,

a1, a2, a3, a1, a4, b1, b2, 
a2, a1, a2, a3, a4, a5, b1, b2, 
a3, a0, a4, a5, a1, b1, a2, b2, 
a3, a0, a4, a1, a5, a2, b1, a3, b2, a4, b3, 
a5, a0, b1, a1, b2, a2, b3, 
a3, a0, a4, a1, a5, a2, b1, a3, b2, a4, b3, a5, b4, 
b1, a0, b2, a1, b3, a2, b4, 
a3, a0, a4, a1, a5, a2, b1, a3, b2, a4, b3, a5, b4, b1, b5, 
b2, a0, a1, a2, a3, a4, a5, b3, b1, b4, b2, b5, 
b3, a0, b4, a1, b5, 
a2, a0, a3, a1, a4, a2, a5, a3, b0, a4, b1, a5, b2, b0, b3, b1, b4, b2, b5, b3, 
b4, a0, b5, 
a1, a2, a3, a4, a5, b0, b1, b2, b3, b4, b5, 
a0, a1, a2, a3, a4, a5, b0, b1, b2, b3, b4, b5, 
a0, a1, a2, a3, a4, a5, b0, b1, b2, b3, b4, b5, 
a0, a1, a2, a3, a4, a5, b0, b1, b2, b3, b4, b5,

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