HashMap、HashTable、CurrentHashMap对比

• 作           者：是江迪呀
• ✒️本文关键词：Java、集合、Map、CurrentHashMap
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一、HashMap、HashTable、CurrentHashMap对比

1.1 CurrentHashMap和HashMap对比

ConcurrentHashMap就是为了HashMap在多线程下不安全而诞生的，它大量的使用了volatile，final，CAS等lock-free技术来减少锁竞争对于性能的影响。ConcurrentHashMap避免了对全局加锁改成了局部加锁操作。这样就极大的提高了 并发环境下的操作速度。

所以CurrentHashMap线程是安全的，HashMap线程不安全，在多线程下，使用HashMap进行put操作或造成死循环，导致CPU的利用率接近100%，使用并发情况下不能使用HashMap

1.2 HashMap和HashTable对比

HashMap和HashTable的实现原理几乎一致，差别是：HashTable不允许key和value为null。HashTable是线程安全的。但是Hastable实现线程安全的代价很大，get/put的所有相关操作都是synchronized的，这相当于给hash表加上了一把大锁，多发生多线程操作HashTable时，只要有一个线程操作HashTable其它线程必须阻塞，相当于将所有多线程操作串行化，性能和效率很差。

二、JDK1.7ConcurrentHashMap实现原理

在JDK1.7中ConcurrentHashMap使用的是数组+Segment+分段锁对的方式实现。Segment（分段锁）–减少锁的粒度，ConcurrentHashMap中的分段锁被称为Segment，它类似与 HashMap对的结构，及内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表。同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock）

2.1 ConcurrentHashMap的内部结构

ConcurrentHashMap采用分段锁技术，将数据分为一段一段存储， 然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其它段的数据也能被其它线程访问。能够实现真正意义的并发访问，ConcurrentHashMap结构图：

从上面的结构我们可以看出，ConcurrentHashMap定位一个元素的过程需要进行两次操作。第一次定位到底Segment，第二次定位定位到元素所在的链表的头部。
好处：写操作的时候可以只对元素所在的Segment进行加锁即可，不会影响到 其它的Segment，这样在理想状态下，ConcurrentHashMap可以最高同时支持和Segment数量一样多的写操作（刚好这些写操作都非常平均的分配到，所有的Segment上）并发能力可以大大的提高。
坏处：这种结构带来的副作用就是，存值时的过程要比HashMap要长。Segment的数量是根据并发总量来决定的，比如来说，并发总量是8，那么segment的数量就是8

2.2 为啥JDK1.8版本的ConcurrentHashMap的并发能力可以大大的提高?

JDK8中ConcurrentHashMap采用了数组+链表+红黑树的实现方式来设计，内部采用大量的CAS操作。

CAS是compare and swap的缩写，就是比较并交换。CAS是一种基于锁的操作，是乐观锁。
锁分为乐观锁和悲观锁，悲观锁就是将资源锁住后，等当前获得锁的对象将锁释放后，下一个线程才能访问。而乐观锁采用了宽泛的态度，通过某种方式不加锁来处理资源，比如通过给记录加version来获取数据，性能较悲观锁有很大的提高。
CAS操作包含三个操作数：
（1）内存位置（V）；
（2）预期值（A）；
（3）新值（B）；
如果内存地址里面的值和A的值是一样的，那么就将内存中的值更新成B，CAS是通过无限循环来获取数据的，如果第一轮循环中，a线程获取地址里面的值被b线程修改了，那么a线程需要自旋，到下次循环才有可能被执行。

JDK8中彻底放弃了Segment转而采用的是Node。其设计思想不再是1.7中的分段锁机制。
Node：保存key，value以及key的Hash值的数据结构，其中value和next都是用volatile修饰，保证并发内存的可见性。java8中的ConcurrentHashMap的结构基本和Java8中的HashMap一致，不过保证线程安全。在JDK8中的ConcurrentHashMap引入了红黑树，红黑树是一种性能非常好的二叉查找树，其查找性能是O。当ConcurrentHashMap中的链表的长度大于某个阈值（这个阈值是8）的时候将链表转化为红黑树，以提高查询效率。

三、总结

3.1 JDK1.8的ConcurrentHashMap结构和Hashmap的结构比较

JDK1.8的ConcurrentHashMap结构和Hashmap的结构很接近，只是增加了同步操作来控制并发：

• JDK1.7采用： 数组+Segment+HashEntry
• JDK1.8采用： Synchronized+CAS+HashEntry+红黑树

3.2 JDK1.7和JDK1.8中的ConcurrentHashMap的比较：

• 数据结构：放弃了Segment分段锁机制，采用了数组+链表+红黑树
• 保证线程安全机制： 1.7采用Segment分段锁机制，其中Segment继承ReentrantLock。1.8采用CAS+Synchronized保证线程安全。
• 锁的粒度： 1.7采用的对响应进行数据操作的Segment加锁，1.8调整为对每个数组元素进行加锁（node）减小了锁的粒度，提高的性能。
• 链表转化为红黑树。
• 查询时间复杂度： 从原来的遍历链表O（n），变成遍历红黑树O（LogN）