ConcurrentHashMap

欣晟

已于 2024-06-06 15:42:18 修改

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文章标签： java

于 2024-06-06 15:21:13 首次发布

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1. 线程安全性

ConcurrentHashMap 支持多线程并发访问，不需要额外的同步措施，因此可以在多线程环境中安全使用。

2. 分段锁机制

ConcurrentHashMap 使用分段锁（Segment）机制，将整个哈希表分成多个段（默认为16个）。
每个段上有一个独立的锁，这意味着不同的线程可以同时访问不同的段，从而提高了并发性能。
在写操作时，只会对所操作的段加锁，而不影响其他段的访问。

3. 高并发性能

由于分段锁机制，ConcurrentHashMap 具有良好的并发性能。
多个线程可以同时读取不同的段，只有在写操作时才会涉及到锁的竞争。

4. 支持高效的读操作

读操作在没有竞争的情况下几乎没有性能损耗，因为它们可以并行执行。

5. 适用于大规模数据

ConcurrentHashMap 适用于处理大规模数据集，因为它的性能不会随数据规模的增加而线性下降。

6. 支持原子操作

ConcurrentHashMap 提供了一些原子操作，如 putIfAbsent、remove、replace 等，这些操作可以在不需要额外的同步措施的情况下执行。

7. 高度可扩展

由于分段锁的机制，ConcurrentHashMap 具有良好的可扩展性，可以适应不同并发级别的需求。

8. 不允许空键或空值

ConcurrentHashMap 不允许键或值为空（null），如果尝试插入空键或空值，会抛出 NullPointerException。

9. 底层数据结构

ConcurrentHashMap 的底层数据结构是一个 Segment 数组，每个 Segment 实例又包含若干个桶，每个桶中都包含一条由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表。
在 Java 8 及以上版本中，当链表长度超过阈值（TREEIFY_THRESHOLD，默认为 8）并且数组长度大于或等于 64 时，链表会转换为红黑树以提高查询效率。

10. 使用场景

ConcurrentHashMap 通常用于需要频繁读写的并发环境下，比如高并发的 Web 应用程序中的缓存系统。它不仅提供了线程安全的操作，还提供了更好的性能，因为它通过分段锁实现了并发的读写操作，不会对整个哈希表进行加锁。

/**
* 向映射中插入键值对，如果键已存在则根据onlyIfAbsent决定是否替换原有值。
* 此方法是put和putIfAbsent操作的核心实现。
*
* @param key 映射中的键，不允许为null。
* @param value 与键关联的值，不允许为null。
* @param onlyIfAbsent 如果为true且键已存在，则不更新已有值；否则，将值替换为新值。
* @return 如果键已存在且onlyIfAbsent为true，返回旧值；否则返回null。
*/
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 检查键和值是否为空，若任一为空则抛出异常
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();

// 计算键的哈希值并应用扩散函数
int hash = spread(key.hashCode());

// 初始化桶内节点计数器
int binCount = 0;

// 主循环处理table（散列表）
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; // 当前桶的头结点
int n, // table的长度
i, // 计算出的索引位置
fh; // 头结点的哈希值

// 初始化或扩容table
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();

// 处理空桶，使用CAS无锁添加新节点
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break;
}

// 处理正在进行的transfer操作
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);

// 处理非空桶
else {
V oldVal = null;
// 对头结点同步，确保线程安全
synchronized (f) {
// 再次检查table[i]是否未被其他线程修改
if (tabAt(tab, i) == f) {
// 链表处理逻辑
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
// 查找匹配的键，更新或插入值
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null);
break;
}
}
}
// 红黑树处理逻辑
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}