ConcurrentHashMap

本文比较了HashTable和HashMap的底层实现,着重讲解了ConcurrentHashMap的多线程安全设计,包括Segment结构、红黑树优化、锁策略和CAS的使用。还讨论了ConcurrentHashMap的扩容机制,以提升性能和用户体验。

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HashTable

1.其底层实现为:数组+链表  每一个数组的下标元素都是一个链表

与HashMap不同的是,HashMap只有当发生哈希冲突的时候,数组下标对应的元素才会成链表形态


2.HashTable是线程安全的,其内部的所有方法方法都加了synchronized关键字,但其引出来的缺点即为:每时每刻有且仅有一个线程可以操作当前的HashTable,也就意味着如果此时线程1运行时,线程2想get里面的一个元素,是不可行的,故性能大大降低


ConcurrentHashMap:

1.底层实现为:ConcurrentHashMap将一个桶(bucket)分成了多个Segment(段),每个Segment都是一个类似于HashMap的结构,也就是一个数组+链表/红黑树。这样做的好处是可以在不同的Segment上进行并发操作,提高了并发度。


2.当进行插入或查找时,先根据hash值找到对应的Segment,然后在该Segment上进行操作。如果该Segment的长度超过了一定的阈值(默认为8),则将链表转换为红黑树,以提高查找效率。所以可以说,在ConcurrentHashMap中,红黑树是作为链表的替代者,用来提高查找效率的


3.ConcurrentHashMap是线程安全的,且其不是对所有链表加同一个锁,在JDK1.7前,是通过加分段锁的方式来完成的线程安全的,其本质即为缩小锁的范围,降低锁冲突的概率,但其做法还是不充分,在JDK1.8后,使用每个链表的头节点作为锁对象,这样每个链表的锁对象都各不相同,且只有当两个线程针对同一个对象加锁,此时才会有竞争,才会有阻塞等待,此时便将锁的粒度变小了


4.ConcurrentHashMap内部只针对写和写之间有锁冲突,读和写没有锁冲突,因为写操作是原子的(volatile+原子写操作),


5.内部充分使用CAS,进一步减少加锁的数目


6.ConcurrentHashMap内部对应扩容操作采用化整为零的方法:对比HashTable/HashMap扩容,是创建出一个新的更大的数组空间,将旧的元素移植到新的数组上去,这也就导致,随着扩容的次数越来越多,可能后面某次扩容操作所耗时间就非常多,影响用户体验。

ConcurrentHashMap采用的是每次搬运一小部分到新数组中,同时旧数组也保留。在采用put方法上时,直接放在新数组中,且将旧数组中的元素也一点一点搬运过来,在执行get方法时,旧数组和新数组上都查询,当所有元素都被搬运到新元素后,释放旧数组.

每一个segment都类似于一个HasTable结构

Segment类成员源码

 static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {  
    transient volatile int count;  //当前Segment中元素数量  
	transient int modCount;  //影响此部分的操作数个数  
	transient int threshold; //最大值 当元素个数达到此值时进行扩容   
	transient volatile HashEntry<K,V>[] table; //链表数组 每一个元素链表的头节点
	final float loadFactor; //负载因子
  } 

HashEntry:Segment中存放的元素的形式

static final class HashEntry<K,V> {
    final K key;
    final int hash;
    volatile V value;
    final HashEntry<K,V> next;
}
<think>好的,我现在需要回答用户关于JavaConcurrentHashMap的用法和最佳实践的问题。首先,我应该回顾一下ConcurrentHashMap的基本概念和它在Java中的应用场景。ConcurrentHashMapJava并发包中的一个线程安全的哈希表实现,适合多线程环境下使用,以提高并发性能。 接下来,我需要确定用户可能关心的关键点。通常,使用ConcurrentHashMap时,需要注意其线程安全机制、如何正确地进行初始化、常用方法的使用,以及与HashMap和Hashtable的区别。此外,最佳实践可能涉及如何选择并发级别、处理null值的问题,以及迭代器的弱一致性特性。 然后,我应该检查用户提供的引用内容。引用[2]提到在多线程环境中使用WeakHashMap时,同步方法intern()可能成为竞争点,并建议在真实场景中使用ConcurrentHashMap。这说明ConcurrentHashMap在解决多线程同步问题上的优势。因此,在回答中需要强调ConcurrentHashMap的线程安全实现,比如分段锁或CAS操作,以及如何减少锁竞争。 接下来,我需要组织内容结构。首先介绍ConcurrentHashMap的基本概念,然后详细说明其使用方法,包括初始化、常用方法、线程安全操作等。之后,列出最佳实践,比如避免不必要的锁竞争、合理设置并发级别、处理null值的注意事项等。最后,生成相关问题,帮助用户进一步学习。 在编写过程中,要确保符合用户提供的系统级指令,例如行内数学表达式使用$...$格式,但在这个问题中可能不太涉及数学公式,因此需要注意是否有相关部分。同时,引用标识需要自然地添加在引用的段落末尾,例如引用[2]提到使用ConcurrentHashMap代替同步的WeakHashMap,所以要在相应位置加上[^2]。 另外,用户要求回答结构清晰,逐步解决问题,所以需要分点说明,每个部分有明确的标题,如基本用法、最佳实践、常见问题等。同时,代码示例部分需要用正确的格式展示,比如Java代码块,帮助用户理解具体用法。 最后,生成的相关问题需要围绕ConcurrentHashMap展开,比如与HashMap的区别、线程安全机制、性能优化方法等,确保问题能够引导用户深入理解该主题。 在检查过程中,要确保LaTeX语法正确,但这个问题可能不需要数学表达式,所以主要检查代码块和格式是否正确。同时,使用中文回答,保持语言流畅自然,避免技术术语使用不当。</think>### JavaConcurrentHashMap的用法与最佳实践 #### 1. ConcurrentHashMap的基本概念 `ConcurrentHashMap`是Java并发包(`java.util.concurrent`)中的线程安全哈希表实现,支持高并发读写操作。它通过分段锁(Java 7)或CAS操作+节点锁(Java 8及以后)实现高效并发,避免了全局锁的性能瓶颈。 #### 2. 基本用法 ##### 初始化 ```java ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>(); // 指定初始容量和负载因子 ConcurrentHashMap<String, Integer> map2 = new ConcurrentHashMap<>(16, 0.75f); ``` ##### 常用方法 ```java map.put("key", 100); // 线程安全的插入 int value = map.get("key"); // 线程安全的读取 map.computeIfAbsent("key", k -> 42); // 原子性操作:若不存在则计算并插入 map.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ": " + v)); // 安全的遍历 ``` #### 3. 最佳实践 1. **减少锁竞争** - 合理设置`concurrencyLevel`(构造函数参数),默认值为16,需根据线程数调整。 - 使用`compute`、`merge`等原子方法替代“检查-写入”逻辑,避免显式同步。 2. **避免null值** `ConcurrentHashMap`不允许`null`作为键或值,需在代码中显式处理。 3. **弱一致性的迭代器** 遍历操作(如`entrySet().iterator()`)反映的是某一时刻的快照,不保证实时性。 4. **选择合适的并发版本** - Java 8+优化了锁粒度,优先使用新版本。 - 对于读多写少的场景,可结合`ReadWriteLock`或`ConcurrentHashMap`的原子操作。 5. **性能优化** ```java // 批量操作(并行阈值可调) map.search(1, (k, v) -> v > 100 ? k : null); map.reduce(1, (k, v) -> v, Integer::sum); ``` #### 4. 与HashMap、Hashtable的对比 | 特性 | ConcurrentHashMap | Hashtable | HashMap | |--------------------|-------------------|-----------------|-----------------| | 线程安全 | 是(分段锁/CAS) | 是(全局锁) | 否 | | 允许null键/值 | 否 | 否 | 是 | | 迭代器弱一致性 | 是 | 否 | 不适用 | #### 5. 常见问题 **Q: 如何保证复合操作的原子性?** 使用原子方法(如`compute`)或显式同步: ```java map.compute("counter", (k, v) -> v == null ? 1 : v + 1); ``` **Q: 多线程扩容是否会阻塞?** Java 8的`ConcurrentHashMap`通过多线程协同扩容,减少了阻塞时间。
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