ConcurrentHashMap存储原理

最新推荐文章于 2024-01-19 21:38:30 发布
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ConcurrentHashMap通过分离锁和内部类HashEntry等机制，实现了在多线程环境下高并发读写操作，相比于HashTable和同步HashMap，它能提供更好的性能。本文详细解析了ConcurrentHashMap的实现原理，包括其如何利用16个分离锁来提高并发性，以及内部类HashEntry如何减少读线程的加锁需求。

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ConcurrentHashMap是并发散列映射表的实现，它允许多线程环境完全并发读取，并且支持16个线程并发更新。相对于HashTable和同步包包装的HashMap(Collections.synchronizedMap(new HashMap())具有更高的并发性。在HashTable和同步包包装的HashMap中使用全局锁同步不同线程间的并发访问，ConcurrentHashMap使用16内部类Segment实现存储，使用16个分离锁，所以同时运行16个线程访问，一个ConcurrentHashMap对象相对于16个HashTable对象。
ConcurrentHashMap的高并发性主要取决于如下三方面：
1、使用分离锁实现多线程更深层次并发访问
2、使用ConcurrentHashMap的内部类HashEntry存储对象，HashEntry的不变性降低了读线程在遍历链表时加锁需求
3、通过对同一个volatile变量的读写访问，协调不同线程间读写操作的内存可见性。

ConcurrentHashMap默认创建包含16个Segment对象数组，每个Segment的成员对象数组table包含若干个散列表的桶，每个桶是由内部类HashEntry链接起来的一个链表。

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### ConcurrentHashMap 的内部原理与工作机制 ConcurrentHashMap 是 Java 中用于支持高效并发访问的哈希表实现。它的设计目标是在多线程环境下提供高性能的读写操作，同时避免数据不一致的问题。以下是其内部实现的关键点： #### 1. 分段锁机制（Segment Lock） 在早期版本的 Java（如 Java 7）中，ConcurrentHashMap 使用了一种分段锁（Segment Lock）的机制来实现并发控制。整个哈希表被划分为多个段（Segment），每个段是一个独立的小型哈希表[^3]。当进行写操作时，ConcurrentHashMap 只需要锁定相关的段，而不需要锁定整个表，从而提高了并发性能。 #### 2. CAS 操作与无锁设计 从 Java 8 开始，ConcurrentHashMap 的实现发生了重大变化。它摒弃了分段锁机制，转而采用基于 CAS（Compare-And-Swap）操作的无锁设计[^2]。这种设计通过原子操作来确保线程安全，减少了锁的使用频率和范围，进一步提升了并发性能。 #### 3. 哈希计算与桶分布 ConcurrentHashMap 在插入或查找元素时，首先会根据键的 `hashCode` 计算出一个初始哈希值。然后，通过 `spread()` 方法对这个初始哈希值进行二次扰动，以减少哈希冲突的可能性[^4]。最终的哈希值决定了该键值对应该存储在哪个桶中。 #### 4. 动态扩容 ConcurrentHashMap 支持动态扩容，以适应不断增长的数据量。在扩容过程中，ConcurrentHashMap 会将原有的桶重新分配到新的桶数组中。为了保证扩容过程中的线程安全性，Java 8 的实现引入了 `ForwardingNode` 节点[^2]。这些节点在扩容期间起到临时转发的作用，确保读操作能够正确地找到目标元素。 #### 5. 写操作的线程安全 ConcurrentHashMap 的写操作（如 `put` 和 `remove`）通过以下方式确保线程安全： - **CAS 操作**：对于简单的更新操作，ConcurrentHashMap 使用 CAS 操作来避免显式锁定。 - **局部锁定**：在复杂情况下（如链表转换为红黑树或扩容），ConcurrentHashMap 会对特定的桶进行短暂的锁定，而不是锁定整个表。 #### 6. 遍历操作的线程安全 ConcurrentHashMap 的遍历操作（如 `forEach` 或 `keySet().iterator()`）是弱一致性的，这意味着在遍历过程中允许其他线程修改哈希表的内容。这种设计在大多数情况下可以满足需求，同时避免了因锁定导致的性能下降[^2]。 ### 示例代码 以下是一个简单的示例，展示如何使用 ConcurrentHashMap 并理解其基本操作： ```java import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; public class ConcurrentHashMapExample { public static void main(String[] args) { ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>(); // 插入键值对 map.put("one", 1); map.put("two", 2); map.put("three", 3); // 遍历 ConcurrentHashMap for (String key : map.keySet()) { System.out.println("Key: " + key + ", Value: " + map.get(key)); } // 并发安全的更新操作 map.computeIfAbsent("four", k -> 4); map.computeIfPresent("two", (k, v) -> v * 2); // 输出结果 System.out.println(map); } } ``` ###
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