ConcurrentHashMap相关面试题

ConcurrentHashMap相关面试题

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1. 请简述ConcurrentHashMap的基本数据结构和主要特点。

1）基本数据结构

由数组、链表和红黑树组成，采用了CAS（Compare-and-Swap）和synchronized来确保线程安全

2）主要特点：

1. 高效的并发性能：通过CAS和synchronized的结合使用，减少了锁的竞争，提高了并发性能。同时，链表与红黑树的转换机制也进一步提升了查找效率。
2. 线程安全：ConcurrentHashMap的设计保证了其线程安全，多个线程可以并发地对其进行读写操作，而无需额外的同步措施。
3. 动态扩容：当ConcurrentHashMap中的元素数量达到阈值时，会自动进行扩容操作，以适应更多的数据。
4. 灵活性：ConcurrentHashMap提供了丰富的配置选项，可以根据具体应用场景调整其性能参数，如初始容量、加载因子等。

2. ConcurrentHashMap是如何实现线程安全的？它使用了哪些机制来确保并发性能？

实现线程安全主要依赖于CAS（Compare-and-Swap）算法、synchronized关键字以及volatile关键字，并结合了精细化的锁控制策略，以确保其高效的并发性能。

1. CAS算法：CAS是一种无锁算法，它包含三个操作数——内存位置V、预期原值A和新值B。当且仅当内存位置V的值等于预期原值A时，将内存位置V的值设置为新值B。否则，不执行任何操作。整个比较并替换的操作是一个原子操作。在ConcurrentHashMap中，CAS被用于确保节点插入的原子性，从而避免锁的使用，提高了并发性能。
2. synchronized关键字： synchronized用于保证同一时刻只有一个线程能够执行某个代码块或方法，从而实现线程间的同步。在ConcurrentHashMap中，synchronized被用于确保链表或红黑二叉树的首节点的修改操作的原子性。当两个线程同时尝试修改同一桶中的链表或红黑树时，只有一个线程能够获得锁并执行修改操作，其他线程则需要等待。
3. volatile关键字： volatile用于确保多个线程对同一个变量的读写操作具有可见性，即一个线程对变量的修改对其他线程是可见的。在ConcurrentHashMap中，volatile被用于保证对哈希表数组的读写操作的可见性。这意味着当一个线程修改哈希表数组后，其他线程能够立即看到这一修改，从而避免了数据不一致的问题。
4. 精细化的锁控制策略： 在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap并没有采用JDK1.7中的分段锁机制，而是对每个桶（数组的每个位置）使用独立的锁。这种细粒度的锁控制减少了锁竞争，提高了并发性能。 当一个线程尝试访问某个桶时，它只需要获取该桶的锁，而不是整个哈希表的锁。这样，其他线程仍然可以并发地访问其他桶中的数据。

3. ConcurrentHashMap的扩容机制是怎样的？为什么选择这样的扩容策略？在扩容过程中如何保证线程安全？

1）扩容机制：

在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap的扩容操作主要发生在两个场景：一是初始化时或者首次put元素时，会根据传入的容量和加载因子计算出初始容量和阈值；二是当当前元素数量超过阈值时，触发扩容。

扩容时，会创建一个新的Node数组，其容量是原数组的两倍。然后，遍历原数组中的每个桶，将桶中的节点（可能是链表或红黑树）重新计算索引并放入新数组中。这个过程需要保证线程安全，同时尽量减少对并发读写操作的影响。

2）为什么选择：

1. 两倍扩容：选择两倍扩容是为了保持哈希分布的均匀性，减少哈希冲突。同时，两倍扩容可以确保大部分键值对在扩容后仍然处于原位置或相邻位置，减少了迁移的成本。
2. 细粒度锁与CAS结合：通过结合CAS操作和精细化的同步控制，ConcurrentHashMap能够在扩容过程中保持较高的并发性能。CAS操作避免了不必要的锁竞争，而精细化的同步控制则确保了关键操作的原子性。