深入理解ConcurrentHashMap源码解析

ConcurrentHashMap是Java中一个非常重要的并发集合类，它提供了线程安全的哈希表实现。其初衷是为了优化同步HashMap，减少线程竞争，提高并发访问效率。随着Java的发展，ConcurrentHashMap在1.7和1.8中经历了显著的变化。以下内容将深入探索这两个版本的区别，同时结合源码和底层实现来进行说明。

1. Java 1.7中的ConcurrentHashMap

在Java 1.7（及之前的版本）中，ConcurrentHashMap采用了分段锁（Segmentation）的概念，其核心是将数据分成一段一段地存储，然后为每一段数据配备一把锁。

1.1 核心实现

在Java 1.7中，ConcurrentHashMap内部维护了一个Segment数组。每个Segment继承自ReentrantLock并且它内部本质上是一个Hash表。这样做的好处是能够减小锁的粒度，提高并发访问的效率。默认Segment 数量为 16，可以通过构造函数来修改默认值。当需要put或get一个元素时，线程首先通过hash定位到具体的Segment，然后在对应的Segment上进行锁定操作。

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
    // 省略其他属性和方法

    // Segment内部的HashEntry数组
    transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

    Segment(float loadFactor, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {
        this.loadFactor = loadFactor;
        this.threshold = threshold;
        this.table = tab;
    }

    // 其他方法...
}

1.2 写操作

当进行写操作时，需要首先定位到具体的Segment，然后对其加锁，执行操作后再解锁。这意味着同时只有一个线程可以在一个Segment内进行写操作，但是多个线程可以并发对不同的Segment进行操作。

public V put(K key, V value) {
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    int i = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
    return segments[i].put(key, hash, value, false);
}

1.3 读操作

对于读操作，如果没有进行结构修改，可以允许一定程度的并发。如果读操作需要确保最新的数据被读取，可能需要对Segment进行加锁。

2. Java 1.8中的ConcurrentHashMap

Java 8中对ConcurrentHashMap的实现进行了重大的改进。在这个版本中，去掉了Segment的概念，转而使用了CAS操作（Compare-And-Swap）和synchronized关键字配合节点的锁实现高效的并发控制。

2.1 核心实现

在Java 1.8中，ConcurrentHashMap内部主要是由Node数组构成，每个Node包含了一个key-value键值对。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V value;
    volatile Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    // 其他方法...
}

2.2 写操作

写入时，如果目标位置为空（指的是 hash值 或数组上面的链表），将使用CAS操作进行写入。如果已经有节点存在，那么就使用synchronized锁定头节点，然后在链表上进行操作，如果是红黑树则在树上进行操作。

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
        // ...
        if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // ...
    }
    return null;
}

2.3 读操作

Java 8的ConcurrentHashMap在读操作上基本不加锁（除非在读操作过程中检测到写操作正在进行），利用volatile关键字的读写内存语义来保证可见性，从而大大提高读操作的并发性。

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) {
        if ((eh = e.hash) == h) {
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        // ...
    }
    return null;
}

3. 结构优化

自Java 1.8开始，ConcurrentHashMap内部结构由链表逐渐转化为红黑树，以减少搜索时间。链表在元素数量增加到一定程度时会转换为红黑树结构。

4. 总结

Java 1.7的ConcurrentHashMap通过分段锁实现高并发，但它的并发度受限于Segment的数量。而Java 1.8通过精细化控制，只在必需时进行锁定，显著提升了读写性能，尤其是读操作几乎不受影响，这对于读多写少的场景来说是一个巨大的优化。