一文读懂Java ConcurrentHashMap原理与实现 - 知乎

安宇雨 - 随手采集
2023-11-23 14:16:57
随手采集
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概念

在多线程环境下，使用HashMap进行put操作时存在丢失数据的情况，为了避免这种bug的隐患，强烈建议使用ConcurrentHashMap代替HashMap。

HashTable是一个线程安全的类，它使用synchronized来锁住整张Hash表来实现线程安全，即每次锁住整张表让线程独占，相当于所有线程进行读写时都去竞争一把锁，导致效率非常低下。ConcurrentHashMap可以做到读取数据不加锁，并且其内部的结构可以让其在进行写操作的时候能够将锁的粒度保持地尽量地小，允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分段技术。它使用了多个锁来控制对hash表的不同部分进行的修改。对于JDK1.7版本的实现, ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的Hashtable，它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。JDK1.8的实现降低锁的粒度，JDK1.7版本锁的粒度是基于Segment的，包含多个HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry（首节点）。

实现原理

对于JDK1.7版本的实现，ConcurrentHashMap 为了提高本身的并发能力，在内部采用了一个叫做 Segment 的结构，一个 Segment 其实就是一个类 Hash Table 的结构，Segment 内部维护了一个链表数组，我们用下面这一幅图来看下 ConcurrentHashMap 的内部结构,从下面的结构我们可以了解到，ConcurrentHashMap 定位一个元素的过程需要进行两次Hash操作，第一次 Hash 定位到 Segment，第二次 Hash 定位到元素所在的链表的头部，因此，这一种结构的带来的副作用是 Hash 的过程要比普通的 HashMap 要长，但是带来的好处是写操作的时候可以只对元素所在的 Segment 进行操作即可，不会影响到其他的 Segment，这样，在最理想的情况下，ConcurrentHashMap 可以最高同时支持 Segment 数量大小的写操作（刚好这些写操作都非常平均地分布在所有的 Segment上），所以，通过这一种结构，ConcurrentHashMap 的并发能力可以大大的提高。我们用下面这一幅图来看下ConcurrentHashMap的内部结构详情图，如下:

为什么要用二次hash，主要原因是为了构造分离锁，使得对于map的修改不会锁住整个容器，提高并发能力。当然，没有一种东西是绝对完美的，二次hash带来的问题是整个hash的过程比hashmap单次hash要长，所以，如果不是并发情形，不要使concurrentHashmap。

JAVA7之前ConcurrentHashMap主要采用锁机制，在对某个Segment进行操作时，将该Segment锁定，不允许对其进行非查询操作，而在JAVA8之后采用CAS无锁算法，这种乐观操作在完成前进行判断，如果符合预期结果才给予执行，对并发操作提供良好的优化.

面试题

1. ConcurrentHashMap中变量使用final和volatile修饰有什么用呢？
Final域使得确保初始化安全性（initialization safety）成为可能，初始化安全性让不可变形对象不需要同步就能自由地被访问和共享。
使用volatile来保证某个变量内存的改变对其他线程即时可见，在配合CAS可以实现不加锁对并发操作的支持。get操作可以无锁是由于Node的元素val和指针next是用volatile修饰的，在多线程环境下线程A修改结点的val或者新增节点的时候是对线程B可见的。

2.我们可以使用CocurrentHashMap来代替Hashtable吗？
我们知道Hashtable是synchronized的，但是ConcurrentHashMap同步性能更好，因为它仅仅根据同步级别对map的一部分进行上锁。ConcurrentHashMap当然可以代替HashTable，但是HashTable提供更强的线程安全性。它们都可以用于多线程的环境，但是当Hashtable的大小增加到一定的时候，性能会急剧下降，因为迭代时需要被锁定很长的时间。因为ConcurrentHashMap引入了分割(segmentation)，不论它变得多么大，仅仅需要锁定map的某个部分，而其它的线程不需要等到迭代完成才能访问map。简而言之，在迭代的过程中，ConcurrentHashMap仅仅锁定map的某个部分，而Hashtable则会锁定整个map。

3. ConcurrentHashMap有什么缺陷吗？
ConcurrentHashMap 是设计为非阻塞的。在更新时会局部锁住某部分数据，但不会把整个表都锁住。同步读取操作则是完全非阻塞的。好处是在保证合理的同步前提下，效率很高。坏处是严格来说读取操作不能保证反映最近的更新。例如线程A调用putAll写入大量数据，期间线程B调用get，则只能get到目前为止已经顺利插入的部分数据。

4. ConcurrentHashMap在JDK 7和8之间的区别

JDK1.8的实现降低锁的粒度，JDK1.7版本锁的粒度是基于Segment的，包含多个HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry（首节点）
JDK1.8版本的数据结构变得更加简单，使得操作也更加清晰流畅，因为已经使用synchronized来进行同步，所以不需要分段锁的概念，也就不需要Segment这种数据结构了，由于粒度的降低，实现的复杂度也增加了
JDK1.8使用红黑树来优化链表，基于长度很长的链表的遍历是一个很漫长的过程，而红黑树的遍历效率是很快的，代替一定阈值的链表，这样形成一个最佳拍档