ConcurrentHashMap原理，jdk7和jdk8版本的区别

ConcurrentHashMap 是 Java 中用于高并发场景的线程安全的哈希表实现。它在 JDK 7 和 JDK 8 中的实现原理有显著的区别，主要是为了提高并发性能和扩展性。下面我们从原理、实现细节和版本区别等方面详细分析。

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1. ConcurrentHashMap 的设计目标

• 线程安全：支持高并发读写操作。

• 高性能：尽量减少锁的竞争，提高并发性能。

• 扩展性：支持动态扩容，适应数据量的增长。

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2. JDK 7 中的 ConcurrentHashMap

实现原理：

• 分段锁（Segment Locking）：

  • JDK 7 中的 ConcurrentHashMap 使用分段锁机制，将整个哈希表分成多个段（Segment），每个段是一个独立的哈希表，拥有自己的锁。

  • 每个段相当于一个小的 HashTable，锁的粒度从整个表缩小到段级别，减少了锁竞争。

• 数据结构：

  • 每个段内部是一个数组 + 链表的结构。

  • 通过 Segment 数组和 HashEntry 链表实现。

核心代码：

final Segment<K,V>[] segments; // 分段数组

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock {
    transient volatile HashEntry<K,V>[] table; // 哈希表
}

static final class HashEntry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V value;
    volatile HashEntry<K,V> next;
}

优点：

• 分段锁减少了锁竞争，提高了并发性能。

• 适合中等并发场景。

缺点：

• 分段锁的粒度仍然较大，高并发场景下性能有限。

• 实现复杂，代码维护成本高。

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3. JDK 8 中的 ConcurrentHashMap

实现原理：

• CAS + synchronized：

  • JDK 8 中的 ConcurrentHashMap 抛弃了分段锁，改用 CAS（Compare-And-Swap）和 synchronized 实现线程安全。

  • 锁的粒度从段级别缩小到桶级别（每个桶是一个链表或红黑树），进一步减少了锁竞争。

• 数据结构：

  • 使用数组 + 链表 + 红黑树的结构。

  • 当链表长度超过阈值（默认 8）时，链表会转换为红黑树，提高查找性能。

核心代码：

transient volatile Node<K,V>[] table; // 哈希表

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
}

static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // 红黑树节点
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // 双向链表
    boolean red;
}

优点：

• 锁粒度更小，并发性能更高。

• 数据结构更高效，链表和红黑树的结合提高了查找性能。

• 实现更简洁，代码更易维护。

缺点：

• 实现复杂度较高，尤其是红黑树的插入、删除和平衡操作。

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4. JDK 7 和 JDK 8 的区别

特性	JDK 7	JDK 8
锁机制	分段锁（Segment）。	CAS + synchronized（桶级别锁）。
数据结构	数组 + 链表。	数组 + 链表 + 红黑树。
锁粒度	段级别（较大）。	桶级别（较小）。
并发性能	中等。	高。
扩容机制	分段扩容。	整体扩容。
实现复杂度	较高。	较高（红黑树操作复杂）。

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5. 核心操作原理

(1) put 操作

• JDK 7：

  • 根据键的哈希值定位到对应的段。

  • 获取段的锁，然后在段内的哈希表中插入或更新键值对。

• JDK 8：

  • 根据键的哈希值定位到对应的桶。

  • 如果桶为空，使用 CAS 插入节点。

  • 如果桶不为空，使用 synchronized 锁住桶的头节点，然后插入或更新键值对。

  • 如果链表长度超过阈值，将链表转换为红黑树。

(2) get 操作

• JDK 7：

  • 根据键的哈希值定位到对应的段。

  • 在段内的哈希表中查找键值对。

• JDK 8：

  • 根据键的哈希值定位到对应的桶。

  • 在链表或红黑树中查找键值对。

(3) 扩容

• JDK 7：

  • 分段扩容，每个段独立扩容。

• JDK 8：

  • 整体扩容，所有桶一起扩容。

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6. 使用场景

• JDK 7：

  • 适合中等并发场景。

• JDK 8：

  • 适合高并发场景，性能更高。

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7. 总结

特性	JDK 7	JDK 8
锁机制	分段锁。	CAS + synchronized。
数据结构	数组 + 链表。	数组 + 链表 + 红黑树。
锁粒度	段级别。	桶级别。
并发性能	中等。	高。
实现复杂度	较高。	较高。

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8. 一句话总结

• JDK 7：分段锁机制，适合中等并发场景。

• JDK 8：CAS + synchronized，锁粒度更小，适合高并发场景。