ConcurrentHashMap底层，ConcurrentHashMap保证线程安全，ConcurrentHashMap面试题

菜菜-plus

于 2024-11-06 10:59:30 发布

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文章标签： java ConCurrentHashM

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本次分享下ConcurrentHashMap相关底层结构和面试题

首先介绍先ConcurrentHashMap的底层结构
ConcurrentHashMap 是 Java 中提供的一个线程安全的 HashMap 实现，位于 java.util.concurrent 包中。它是 HashTable 的一个替代品，因为 HashTable 是线程安全的，但其性能不如 ConcurrentHashMap，因为 HashTable 在需要时会锁定整个结构，而 ConcurrentHashMap 只锁定特定的部分。

以下是 ConcurrentHashMap 的一些关键结构和特性：

数据结构：
- ConcurrentHashMap 基于哈希表的数组，其中每个数组元素是一个链表或红黑树（Java 8 以后版本）。
- 这个数组被称为 “segments” 或 “buckets”，每个 segment 可以独立锁定，提供了更好的并发性能。
Segment 机制（Java 7）：
- 在 Java 7 中，ConcurrentHashMap 被分割成若干个 segment，每个 segment 像一个小的 HashMap。
- 每个 segment 有自己的锁，当对 ConcurrentHashMap 进行操作时，可以只锁定对应的 segment，而不是整个 Map。
CAS 操作（Compare-And-Swap，Java 8）：
- Java 8 版本中，ConcurrentHashMap 使用了 CAS 操作来支持更高的并发，减少了对 synchronized 的依赖。
- 它使用了数组和红黑树（当链表过长时，比如超过一定数量的元素，链表会转换成红黑树）来存储键值对。
Node 节点：
- ConcurrentHashMap 中的每个桶（bucket）包含一个或多个 Node 对象，Node 包含 key、value 和一个指向下一个节点的引用。
- 当链表长度超过一定阈值时，链表会转换成红黑树，以提高搜索效率。
扩容：
- 当 HashMap 中的元素数量达到容量和加载因子的乘积时，HashMap 会进行扩容操作，ConcurrentHashMap 也不例外。
- 扩容过程中，ConcurrentHashMap 会复制旧的桶到新的更大的数组中，这个过程是分段进行的，以减少对整体性能的影响。
弱一致性迭代器：
- ConcurrentHashMap 提供的迭代器是弱一致的，这意味着它们返回的结果是在一个不确定的时间点上的数据快照，但不会抛出 ConcurrentModificationException。
支持的原子操作：
- ConcurrentHashMap 支持原子的 put-if-absent、remove 和 replace 操作。

ConcurrentHashMap 的设计目标是在保持线程安全的同时，尽可能减少并发操作的开销，提高性能。它通过细粒度锁定和非阻塞算法实现了这一目标。在需要线程安全的 Map 操作时，它是一个很好的选择。

ConcurrentHashMap 的线程安全是如何实现的？
ConcurrentHashMap 的线程安全是通过多种机制实现的，主要包括分段锁（Segmentation）、CAS操作（Compare-And-Swap）、以及synchronized关键字。以下是这些机制的具体说明：

1. 分段锁（Java 7及之前版本）

在Java 7及之前的版本中，ConcurrentHashMap 使用分段锁（Segment）来实现线程安全。ConcurrentHashMap 被分为多个段，每个段是一个小型的HashMap，并且有自己的锁。当进行操作时，只需要锁定涉及到的那个段，而不是整个Map。这样可以减少锁的竞争，提高并发性能。

优点：减少了锁的竞争，提高了并发性能。
缺点：实现复杂，且在高并发场景下，段之间的操作仍然可能存在竞争。

2. CAS操作（Java 8及之后版本）

从Java 8开始，ConcurrentHashMap 放弃了分段锁的机制，转而使用CAS操作来实现线程安全。CAS操作是一种无锁的非阻塞算法，它通过硬件级别的原子操作来保证操作的原子性。

优点：无锁机制，减少了锁的开销，提高了性能。
缺点：CAS操作在高并发场景下可能会产生大量的冲突，导致性能下降。

3. synchronized关键字（Java 8及之后版本）

在Java 8中，ConcurrentHashMap 仍然保留了对synchronized关键字的使用，但使用场景有所减少。synchronized关键字主要用于以下几种情况：

全表扩容：在进行全表扩容时，需要锁定整个Map，以确保数据的一致性。
处理链表转红黑树：当链表长度超过一定阈值时，需要将链表转换为红黑树，这个过程中需要使用synchronized来保证线程安全。
处理红黑树节点的添加、删除和查找：红黑树的操作需要保证线程安全，因此会使用synchronized。

4. 红黑树（Java 8及之后版本）

在Java 8中，当某个桶中的链表长度超过一定阈值（默认为8）时，链表会被转换为红黑树。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，它可以保证在最坏情况下的查找、插入和删除操作的时间复杂度为O(log n)。

优点：提高了查找、插入和删除操作的性能，尤其是在链表长度较长时。
缺点：红黑树的维护成本较高，需要额外的逻辑来处理节点的添加、删除和查找。

总结

ConcurrentHashMap 的线程安全是通过分段锁、CAS操作、synchronized关键字和红黑树等多种机制共同实现的。这些机制的组合使得ConcurrentHashMap 在保证线程安全的同时，也具有较高的并发性能。在不同的Java版本中，这些机制的使用和实现有所不同，但核心目标都是为了在多线程环境下提供高效的Map操作。

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