ConcurrentHashMap CAS 详解

ConcurrentHashMap 的 CAS 详解

ConcurrentHashMap 是 Java 提供的线程安全的 HashMap 实现，它广泛应用于高并发场景。其核心性能的实现依赖于 CAS (Compare-And-Swap) 操作来确保线程安全，同时避免锁的竞争，从而提高并发性能。

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1. 什么是 CAS (Compare-And-Swap)

• 核心思想：
  CAS 是一种无锁的原子操作，通过硬件指令（如 x86 的 CMPXCHG）直接支持。

• 基本流程：

  1. 比较某个内存位置的当前值是否与预期值相等。
  2. 如果相等，则更新为新的值。
  3. 如果不相等，则说明有其他线程修改过该值，CAS 操作失败。

• 优点：

  • 无需加锁，减少线程竞争，提升性能。

• 缺点：

  • 存在 ABA 问题（可以通过加版本号解决）。
  • 自旋失败会造成 CPU 消耗。

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2. ConcurrentHashMap 的基本结构

ConcurrentHashMap 是线程安全的哈希表，其内部采用分段（Segment）锁和链表/红黑树结合的方式存储数据（JDK 1.8 之前是基于分段锁实现，1.8 之后结构优化）。

在 JDK 1.8 中：

1. ConcurrentHashMap 采用数组（Node<K,V>[]）+ 链表 + 红黑树的结构。
2. 对于高并发操作，利用 CAS 和 同步块 (synchronized) 共同保障线程安全。

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3. CAS 在 ConcurrentHashMap 中的应用

ConcurrentHashMap 的许多操作依赖 CAS 保证线程安全。以下是 CAS 在不同场景中的应用详解：

3.1 初始化表

• 当第一次插入元素时，需要初始化哈希表（table）。
• 使用 CAS 确保多个线程不会重复初始化：

  if (table == null || table.length == 0) {
      Node<K,V>[] newTable = new Node[newCapacity];
      if (U.compareAndSwapObject(this, TABLE, null, newTable)) {
          // 初始化成功
      }
  }
  

  流程：
  • 检查 table 是否为 null。
  • 如果为 null，尝试通过 CAS 将 table 设置为新的数组。
  • 如果其他线程已经初始化成功，则当前线程的 CAS 操作失败，直接使用已有的 table。

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3.2 put 操作

当插入新元素时，ConcurrentHashMap 通过 CAS 保证节点插入的原子性：

(1) 插入新节点

• 如果目标桶（table[index]）为空，使用 CAS 将新节点插入：

  if (U.compareAndSwapObject(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) {
      // 插入成功
  }
  

  流程：
  • 判断当前桶是否为空。
  • 如果为空，利用 CAS 将节点插入。如果失败，说明有其他线程同时插入，进入下一步逻辑。

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3.3 扩容（rehash）

当哈希表需要扩容时，CAS 被用于协调多个线程完成迁移操作：

(1) 设置扩容标志

• 多个线程可能同时检测到需要扩容，只允许一个线程完成初始化新表：

  if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
      // 当前线程负责扩容
  }
  

(2) 转移节点

• 在扩容过程中，多个线程会协作迁移数据，每次迁移时使用 CAS 确保线程安全。

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3.4 get 操作

ConcurrentHashMap 的 get 操作是线程安全的，因为读取操作无需加锁，仅需要保证可见性，使用 volatile 或 CAS。

• 数据读取是无锁的，因为 Node 的链表结构和红黑树的构建本质上是线程安全的。

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4. CAS 操作的优缺点在 ConcurrentHashMap 中的体现

优点

1. 高并发性能：
   • 通过 CAS 避免了全局锁（如 synchronized 或 ReentrantLock），减少了线程阻塞。
2. 局部性优化：
   • 操作只针对某个桶（table[index]），线程之间竞争更小。

缺点

1. ABA 问题：
   • 如果节点的引用发生了变化（例如被移除后又重新插入），可能导致 CAS 操作误判。JDK 的 AtomicStampedReference 提供了解决方案。
2. 自旋问题：
   • 当 CAS 操作失败时，可能需要反复重试，自旋会消耗 CPU 资源。

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5. 总结

核心点

• CAS 的核心作用：

  1. 保证 ConcurrentHashMap 的线程安全。
  2. 避免了锁的频繁使用，提升了性能。

• CAS 使用场景：

  • 初始化表时，保证单次初始化。
  • 插入节点时，确保原子性。
  • 扩容时，协作完成迁移。

适用场景

ConcurrentHashMap 适用于高并发读写的场景，例如：

1. 缓存存储。
2. 计数器或频率统计。
3. 并发访问的集合管理。

通过 CAS 与同步块的结合，ConcurrentHashMap 在保证线程安全的同时提供了优秀的性能表现。