ConcurrentHashMap从分段锁到CAS+synchronized

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我们常常在当下感到时间慢，觉得未来遥远，但一旦回头看，时间已经悄然流逝。对于未来，尽管如此，也应该保持一种从容的态度，相信未来仍有许多可能性等待着我们。

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从分段锁到CAS+synchronized：JDK8 ConcurrentHashMap的全面进化

引言：并发容器演进的分水岭

在Java并发编程的演进历程中，JDK8对ConcurrentHashMap的重构无疑是里程碑式的事件。这次重构不仅仅是性能的提升，更是设计哲学的根本转变。从JDK1.7的分段锁到JDK8的CAS+synchronized，ConcurrentHashMap完成了从"粗粒度并发控制"到"细粒度无锁化"的华丽转身。

一、数据结构革命：从分段数组到数组+链表/红黑树

JDK1.7：Segment分段锁架构

JDK1.7的ConcurrentHashMap采用二级哈希结构：

• 外层：Segment数组，每个Segment继承ReentrantLock

• 内层：HashEntry数组，存储实际的键值对

 // JDK1.7结构示意
 ConcurrentHashMap {
     Segment[] segments;    // 固定16个分段
     ↓
     Segment {
         HashEntry[] table; // 分段内的哈希表
         ReentrantLock lock;// 分段锁
     }
 }

这种设计的先天缺陷：

1. 锁粒度固定：并发度受限于Segment数量（默认16）

2. 内存开销大：每个Segment都继承ReentrantLock，包含复杂的锁状态管理

3. 查询效率低：两次哈希计算，链表过长时性能急剧下降

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JDK8：数组+链表/红黑树混合结构

JDK8彻底抛弃分段锁，回归经典的哈希表结构：

• 单层Node数组，元素为Node对象

• 链表长度>8且数组长度≥64时，链表转换为红黑树

• 红黑树节点数<6时，退化为链表

这一改进带来的核心优势：

1. 更接近最优哈希表：减少一次哈希计算

2. 动态树化：有效解决哈希冲突导致的性能问题

3. 内存更紧凑：去除了Segment的额外开销

二、并发控制进化：从分段锁到CAS+synchronized

JDK1.7：粗粒度锁控制

每个Segment独立加锁，同一时刻最多16个线程可并发写入（默认配置）。虽然比Hashtable的全局锁有进步，但仍有明显限制：

• 不同Segment上的操作不互斥

• 同一Segment上的操作完全互斥

• 读操作也需要获取Segment的轻量级锁

JDK8：精细化无锁化策略

JDK8采用分层并发控制策略：

1. 无锁化的读操作

读操作完全无锁，通过volatile保证可见性：

public V get(Object key) {
     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
     int h = spread(key.hashCode());
     if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
         (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
         // 直接读取，无需加锁
         if ((eh = e.hash) == h) {
             if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                 return e.val;
         }
         // 特殊处理：ForwardingNode或TreeBin
         else if (eh < 0)
             return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
         // 遍历链表
         while ((e = e.next) != null) {
             if (e.hash == h &&
                 ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                 return e.val;
         }
     }
     return null;
 }

2. 精细化的写锁

写锁精确到桶级别：

• 空桶：CAS插入

• 非空桶：synchronized锁定链表头节点

 final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
     // ...
     synchronized (f) {  // 只锁住当前桶的头节点
         if (tabAt(tab, i) == f) {
             // 链表或树操作
         }
     }
     // ...
 }

3. 扩容时的协作机制

通过ForwardingNode实现多线程协助扩容，将扩容时间分摊到多个线程。

三、性能对比：多维度的全面超越

3.1 并发度对比

维度	JDK1.7	JDK8
最大写并发	固定（默认16）	理论上等于桶数量
读并发	有限制（需获取读锁）	完全无锁
锁竞争	分段内竞争	桶级别竞争

3.2 内存使用对比

JDK1.7内存开销：

• 16个Segment对象

• 每个Segment包含一个ReentrantLock

• 额外的锁状态管理字段

JDK8内存优化：

• 去除了Segment层级

• 锁对象复用（桶头节点作为锁对象）

• 更紧凑的内存布局

3.3 操作性能对比

写操作：

• JDK1.7：需要获取Segment锁，竞争激烈时性能下降

• JDK8：CAS或桶级别锁，冲突范围大幅缩小

读操作：

• JDK1.7：需要获取Segment的共享锁

• JDK8：完全无锁，性能接近HashMap

扩容操作：

• JDK1.7：整个Segment锁定进行扩容

• JDK8：多线程协助，渐进式扩容

四、核心技术改进详解

4.1 CAS操作的广泛应用

JDK8中CAS不再只是简单的计数器，而是贯穿整个设计：

1. 表初始化：通过sizeCtl控制

2. 桶插入：空桶使用CAS

3. 计数更新：baseCount和CounterCell

4. 扩容控制：transferIndex分配任务

4.2 红黑树优化

链表转红黑树的阈值（8）和红黑树转链表的阈值（6）经过精心设计，避免频繁转换：

• 树化代价高，需要慎重

• 退化为链表避免空间浪费

• TreeBin封装红黑树，同时维护链表顺序支持读操作

4.3 协助式扩容机制

传统HashMap扩容时整个表被锁定，而ConcurrentHashMap通过精巧的设计实现并行扩容：

1. ForwardingNode标记：已迁移的桶放置特殊节点

2. 逆序迁移：从后向前处理，避免冲突

3. 任务分配：多个线程协作完成迁移

4.4 分散式计数机制

借鉴LongAdder思想，解决高并发下的计数瓶颈：

• baseCount：低竞争时的快速路径

• CounterCell数组：高竞争时的分散计数

• @Contended注解：防止伪共享

五、设计哲学的变化

从"防御性并发"到"乐观并发"

JDK1.7哲学：假设冲突是常态，预先分配锁资源

• 预先创建16个Segment

• 读写都需要获取锁

• 设计偏保守

JDK8哲学：假设冲突是特例，乐观处理冲突

• 无锁读取是默认路径

• CAS失败才加锁

• 按需创建同步结构

从"静态分区"到"动态适应"

JDK1.7：静态的16分区，无法根据实际情况调整 JDK8：动态的桶级别锁，完全根据哈希分布自适应

从"锁为中心"到"无锁优先"

这一转变反映了并发编程的发展趋势：

1. 硬件发展：CAS操作得到CPU更好支持

2. 理论成熟：无锁算法研究深入

3. 需求变化：高并发成为常态而非特例

六、实际应用启示

6.1 选择时机

• JDK8+环境：默认使用JDK8的ConcurrentHashMap

• 兼容性要求：如果需要兼容JDK7，考虑降级方案

6.2 最佳实践

1. 预分配容量：避免频繁扩容

2. 合理哈希：保证键的哈希质量

3. 监控树化：过多的树节点可能指示哈希函数问题

6.3 性能调优

• 关注sizeCtl的调整

• 监控CounterCell竞争情况

• 分析红黑树与链表的比例

七、未来展望

JDK8的ConcurrentHashMap设计已经相当成熟，但仍有优化空间：

1. 更智能的树化策略：基于运行时统计动态调整阈值

2. 更好的内存局部性：优化节点排列

3. 更灵活的并发控制：自适应锁策略

结论

从JDK1.7到JDK8，ConcurrentHashMap的演进是Java并发编程发展的缩影。这次重构不仅仅是技术的升级，更是设计理念的飞跃。它告诉我们：

1. 细粒度优于粗粒度：更精确的控制带来更好的并发性

2. 无锁优于有锁：乐观并发是高性能的基石

3. 自适应优于静态：动态调整能更好地应对多变场景

ConcurrentHashMap的成功重构，为我们在设计高并发系统时提供了宝贵经验：在保证线程安全的前提下，尽可能减少同步，让并发操作"轻装前进"。这种思想，正是现代高性能系统设计的核心要义。

JDK1.7 vs JDK8 ConcurrentHashMap架构对比

JDK8 ConcurrentHashMap核心操作流程

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