ConcurrentHashMap详解

要避免 HashMap 的线程安全问题,有多个解决方法,比如改用 HashTable 或者 Collections.synchronizedMap() 方法。

但是这两者都有一个问题,就是性能,无论读还是写,他们两个都会给整个集合加锁,导致同一时间的其他操作阻塞。

ConcurrentHashMap 的优势在于兼顾性能和线程安全,一个线程进行写操作时,它会锁住一小部分,其他部分的读写不受影响,其他线程访问没上锁的地方不会被阻塞。

什么是ConcurrentHashMap

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap属于 JUC 包下的一个集合类,可以实现线程安全。

它由多个 Segment 组合而成。Segment 本身就相当于一个 HashMap 对象。同 HashMap 一样,Segment 包含一个 HashEntry 数组,数组中的每一个 HashEntry 既是一个键值对,也是一个链表的头节点。

单一的 Segment 结构如下:
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ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的方式上不同。底层数据结构: JDK1.7 的 ConcurrentHashMap 底层采用 分段的数组+链表 实现,JDK1.8 采用的数据结构跟 HashMap1.8 的结构一样,数组+链表/红黑二叉树。Hashtable 和 JDK1.8 之前的 HashMap 的底层数据结构类似都是采用 数组+链表 的形式,数组是 HashMap 的主体,链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的;
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实现线程安全的方式(重要):

在 JDK1.7 的时候,ConcurrentHashMap 对整个桶数组进行了分割分段(Segment,分段锁),每一把锁只锁容器其中一部分数据(下面有示意图),多线程访问容器里不同数据段的数据,就不会存在锁竞争,提高并发访问率。到了 JDK1.8 的时候,ConcurrentHashMap 已经摒弃了 Segment 的概念,而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现,并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。(JDK1.6 以后 synchronized 锁做了很多优化) 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap,虽然在 JDK1.8 中还能看到 Segment 的数据结构,但是已经简化了属性,只是为了兼容旧版本;Hashtable(同一把锁) :使用 synchronized 来保证线程安全,效率非常低下。当一个线程访问同步方法时,其他线程也访问同步方法,可能会进入阻塞或轮询状态,如使用 put 添加元素,另一个线程不能使用 put 添加元素,也不能使用 get,竞争会越来越激烈效率越低。

JDK1.8 的 ConcurrentHashMap 不再是 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表

,而是 Node 数组 + 链表 / 红黑树。
不过,Node 只能用于链表的情况,红黑树的情况需要使用 TreeNode。当冲突链表达到一定长度时,链表会转换成红黑树。TreeNode是存储红黑树节点,被TreeBin包装。TreeBin通过root属性维护红黑树的根结点,因为红黑树在旋转的时候,根结点可能会被它原来的子节点替换掉,在这个时间点,如果有其他线程要写这棵红黑树就会发生线程不安全问题,所以在 ConcurrentHashMap 中TreeBin通过waiter属性维护当前使用这棵红黑树的线程,来防止其他线程的进入。

Java 8 几乎完全重写了 ConcurrentHashMap

,代码量从原来 Java 7 中的 1000 多行,变成了现在的 6000 多行。ConcurrentHashMap 取消了 Segment 分段锁,采用 Node + CAS + synchronized 来保证并发安全。数据结构跟 HashMap 1.8 的结构类似,数组+链表/红黑二叉树。Java 8 在链表长度超过一定阈值(8)时将链表(寻址时间复杂度为 O(N))转换为红黑树(寻址时间复杂度为 O(log(N)))。Java 8 中,锁粒度更细,synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点,这样只要 hash 不冲突,就不会产生并发,就不会影响其他 Node 的读写,效率大幅提升

JDK 1.7 和 JDK 1.8 的 ConcurrentHashMap 实现有什么不同?

线程安全实现方式:JDK 1.7 采用 Segment 分段锁来保证安全, Segment 是继承自 ReentrantLock。JDK1.8 放弃了 Segment 分段锁的设计,采用 Node + CAS + synchronized 保证线程安全,锁粒度更细,synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点。Hash 碰撞解决方法 : JDK 1.7 采用拉链法,JDK1.8 采用拉链法结合红黑树(链表长度超过一定阈值时,将链表转换为红黑树)。并发度:JDK 1.7 最大并发度是 Segment 的个数,默认是 16。JDK 1.8 最大并发度是 Node 数组的大小,并发度更大

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