ConcurrentHashMap是如何保证线程安全的

1. 定义和作用

ConcurrentHashMap相当于HashMap的多线程版本。

它的功能本质上和HashMap没有什么区别，但HashMap在并发操作的时候会出现各种问题，比如死循环、数据覆盖等问题。

而这些问题只要使用ConcurrentHashMap就能得到完美的解决。

2. JDK1.7中保证线程安全的原理

2.1 数据结构

JDK 1.7中ConcurrentHashMap的底层结构基本延续了HashMap的基本设计。它采用的是数组加链表的形式。

和HashMap不同的是ConcurrentHashMap中的数组被封分为大数组和小数组。

大数组是Segment，小数组是HashEntry。

大数组Segment可以理解为是一个数据库，而这个数据库又有很多张表，这个表就是HashEntry。

每个HashEntry中又有很多条数据，这些数据采用的是链表结构。

2.2 基于分段锁实现

因为Segment本身是基于ReentrantLock重入锁的实现来加锁和释放锁的操作。

这样的话就能够保证多线程同时访问ConcurrentHashMap的时候，同一时间只能有一个线程操作对应的节点，进而保证了ConcurrentHashMap的线程安全。

也就是说ConcurrentHashMap的线程安全是建立在Segment的加锁的基础上，所以我们称它为分段锁或者是分片锁。

2.3 ReentrantLock重入锁

2.3.1 定义

ReentrantLock（重入锁）是Java中提供的一种同步机制，用于实现多线程之间的互斥访问。

它是一种独占锁，也就是说，在任何时候只能有一个线程持有该锁，并且其他线程必须等待锁的释放才能获取它。

2.3.2 特点

与synchronized关键字相比，ReentrantLock提供了很多的灵活性和功能。

它是可重入的，意味着同一个线程可以多次获得同一把锁，而不会导致死锁。当一个线程多次获取锁时，它必须相应地释放相同次数的锁，才能使其他等待的线程获得该锁。

ReentrantLock还提供了公平性选择，可以选择是否按照线程请求锁的顺序来获取锁。默认情况下，它是非公平的，允许通过竞争来提高吞吐量。而公平锁将按照线程的请求顺序来获取锁，保证了每个线程都有公平的机会获得锁，但可能会降低吞吐量。

使用ReentrantLock需要手动获取锁和释放锁。

在使用ReentrantLock时，必须确保在获取锁后正确释放锁，否则可能会导致死锁或其他并发问题。因此，通常使用try-finally块来确保锁的释放操作在任何情况下都会执行。

总的来说，ReentrantLock是一种可重入的、灵活而强大的同步机制，可以用于实现更复杂的多线程同步需求。

3. JDK1.8中性能优化原理

3.1 数据结构上的变化

在JDK1.7中，ConcurrentHashMap虽然是线程安全的，但是它的底层实现是采用数组+链表的形式。所以在数据比较多的情况下，因为要遍历整个链表，这样的话会降低它的访问性能。

JDK1.8以后，就采用了数组+链表+红黑树的方式进行的优化。

当我们的链表长度大于8的时候，并且数组长度大于64的时候，链表就会升级为红黑树的结构。

JDK1.8中，ConcurrentHashMap保留了Segment的定义，但是仅仅是为了保证序列化的时候的兼容性，不再有任何结构上的用途了。

3.2 源码实现

那在JDK1.8中，ConcurrentHashMap的源码又是如何实现的呢？

它主要是通过CAS+volatile或者是synchronized的方法来实现的，保证线程安全。

首先会判断容器是否为空：

1. 如果容器为空，就会使用volatile+CAS来初始化。
2. 如果容器不为空，就会根据存储的元素计算该位置是否为空。
   1）如果根据存储元素的计算结果为空，就会利用CAS来设计该节点。
   2）如果根据存储元素的计算结果不为空，就会使用synchronized加锁来进行实现。然后去遍历桶中的数据，并且替换或新增节点到桶中。最后判断是否有必要转为红黑树。这样就保证了并发访问的线程安全。

3.3 总结

如果把上面的执行用一句话来归纳的话，就相当于ConcurrentHashMap通过对头节点加锁来保证线程安全，这样设计的好处是使得锁的粒度相比Segment来说更小了，发生hash冲突和加锁的频率也更低了，而在并发场景下操作性能也提高了。而且当数据量比较大的时候，查询性能也得到了进一步的提升。

4. 概括

JDK1.7

使用数组+链表，其中数组分为两大类，大数组是Segment，小数组是HashEntry。而加锁是通过Segment添加ReentrantLock重入锁来保证线程安全的。

JDK1.8

使用数组+链表+红黑树，它是通过CAS或者synchronized来实现线程安全。并且也缩小了锁的粒度，查询性能也到了进一步的提升。

参考资料：【Java面试】京东二面，ConcurrentHashMap是如何保证线程安全？