ConcurrentHashMap详解

最新推荐文章于 2025-03-23 09:30:00 发布

原创最新推荐文章于 2025-03-23 09:30:00 发布 · 442 阅读

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本文详细介绍了ConcurrentHashMap在JDK1.7和1.8中的实现原理和操作方法，包括put、get、remove和扩容等。JDK1.7使用Segment分段锁，而JDK1.8选择节点级别的锁，并使用了红黑树优化，降低了查询时间复杂度。

ConcurrentHashMap

实现原理

JDK1.7:

JDK1.7 中的 ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成，即 ConcurrentHashMap 把哈希桶数组切分成小数组（Segment ），每个小数组有 n 个 HashEntry 组成。

如下图所示，首先将数据分为一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问，实现了真正的并发访问。

JDK1.8:

JDK1.8 中的ConcurrentHashMap 选择了与 HashMap 相同的Node数组+链表+红黑树结构；在锁的实现上，抛弃了原有的 Segment 分段锁，采用 CAS + synchronized实现更加细粒度的锁。

将锁的级别控制在了更细粒度的哈希桶数组元素级别，也就是说只需要锁住这个链表头节点（红黑树的根节点），就不会影响其他的哈希桶数组元素的读写，大大提高了并发度。

Q:JDK1.8 中为什么使用内置锁 synchronized替换可重入锁 ReentrantLock？

在 JDK1.6 中，对 synchronized 锁的实现引入了大量的优化，并且 synchronized 有多种锁状态，会从无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁一步步转换。
减少内存开销。假设使用可重入锁来获得同步支持，那么每个节点都需要通过继承 AQS 来获得同步支持。但并不是每个节点都需要获得同步支持的，只有链表的头节点（红黑树的根节点）需要同步，这无疑带来了巨大内存浪费。

ConcurrentHashMap 的 put 方法？

JDK1.7：

先定位到相应的 Segment ，然后再进行 put 操作。

首先会尝试获取锁，如果获取失败肯定就有其他线程存在竞争，则利用 scanAndLockForPut() 自旋获取锁。

尝试自旋获取锁。
如果重试的次数达到了 MAX_SCAN_RETRIES 则改为阻塞锁获取，保证能获取成功。

JDK1.8：

大致可以分为以下步骤：

根据 key 计算出 hash 值；
判断是否需要进行初始化；
定位到 Node，拿到首节点 f，判断首节点 f：

如果为 null ，则通过 CAS 的方式尝试添加；
如果为 f.hash = MOVED = -1 ，说明其他线程在扩容，参与一起扩容；
如果都不满足，synchronized 锁住 f 节点，判断是链表还是红黑树，遍历插入；

当在链表长度达到 8 的时候，数组扩容或者将链表转换为红黑树。

ConcurrentHashMap 的 get 方法？

JDK1.7：

首先，根据 key 计算出 hash 值定位到具体的 Segment ，再根据 hash 值获取定位 HashEntry 对象，并对 HashEntry 对象进行链表遍历，找到对应元素。

由于 HashEntry 涉及到的共享变量都使用 volatile 修饰，volatile 可以保证内存可见性，所以每次获取时都是最新值。

JDK1.8：

大致可以分为以下步骤：

根据 key 计算出 hash 值，判断数组是否为空；
如果是首节点，就直接返回；
如果是红黑树结构，就从红黑树里面查询；
如果是链表结构，循环遍历判断。

Q:ConcurrentHashMap 的 get 方法是否要加锁，为什么？

get 方法不需要加锁。因为 Node 的元素 value 和指针 next 是用 volatile 修饰的，在多线程环境下线程A修改节点的 value 或者新增节点的时候是对线程B可见的。

ConcurrentHashMap 的 remove方法？

JDK1.7：

JDK1.8：

ConcurrentHashMap 的扩容方法？

JDK1.7：

JDK1.8：

ConcurrentHashMap 的 size方法？

JDK1.7：

JDK1.8：

JDK1.7 与 JDK1.8 中ConcurrentHashMap 的区别？

数据结构：取消了 Segment 分段锁的数据结构，取而代之的是数组+链表+红黑树的结构。
保证线程安全机制：JDK1.7 采用 Segment 的分段锁机制实现线程安全，其中 Segment 继承自 ReentrantLock 。JDK1.8 采用CAS+synchronized 保证线程安全。
锁的粒度：JDK1.7 是对需要进行数据操作的 Segment 加锁，JDK1.8 调整为对每个数组元素加锁（Node）。
链表转化为红黑树：定位节点的 hash 算法简化会带来弊端，hash 冲突加剧，因此在链表节点数量大于 8（且数据总量大于等于 64）时，会将链表转化为红黑树进行存储。
查询时间复杂度：从 JDK1.7的遍历链表O(n)， JDK1.8 变成遍历红黑树O(logN)。