ConcurrentHashMap 在Jdk 17 不同版本中的优化和改进

ConcurrentHashMap 是 Java 中的一个高性能线程安全的哈希表实现，随着 JDK 版本的迭代，其内部实现也经历了多次优化和改进。每个版本的改动针对不同的场景和需求进行了性能提升和问题修复。以下分别描述了 JDK 7、JDK 8 和 JDK 17 的主要设计和区别，并探讨了 JDK 17 的优化。

JDK 7 中的 ConcurrentHashMap

在 JDK 7 中，ConcurrentHashMap 使用的是 分段锁（Segment-based locking） 的设计。这种设计是通过将整个哈希表分成若干段（Segment），每段锁住部分桶来允许更高的并发度。

• 设计特点 ：

• • 哈希表被划分为多个 Segment，每个 Segment 都是一个独立的小型哈希表。
  • 针对每个 Segment 使用一个独立的锁，也就是说，一个线程修改某个 Segment 的数据不会影响其他线程对其他 Segment 的访问。
  • 每次触发写操作时，只需要对相应 Segment 加锁，而不是全表加锁。

• 优缺点 ：

• • 在高并发下性能表现较好，读操作无需锁定，只锁定写操作。
  • 并发粒度取决于 Segment 的数量（默认是 16），并发度有限。
  • 容量扩展时，每个 Segment 独立扩容，操作较复杂。

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JDK 8 中的 ConcurrentHashMap

JDK 8 对 ConcurrentHashMap 的实现进行了大幅改进，采用了更加细粒度的锁和无锁化设计，摒弃了 JDK 7 中的分段锁结构，转而引入基于 CAS（Compare-And-Swap）的操作和红黑树优化。

• 设计特点 ：

• • 引入了 Node 数组结构，直接取代了 Segments，并采用了与 HashMap 类似的方式存储键值对。
  • CAS 操作 ：通过 Unsafe 类的 CAS 指令操作底层数据，避免了锁的使用。
  • 红黑树优化 ：当链表长度超过一定阈值（默认 8）时，将链表转换为红黑树，以避免链表过长时导致的查询性能下降。
  • 扩容时使用分批迁移机制（Rehashing ），由多个线程共同完成，降低扩容引起的性能问题。
  • 对 compute() 和 computeIfAbsent() 等操作进行了额外的同步控制，以支持复杂操作的线程安全性。

• 改进效果 ：

• • 移除了分段锁的限制，并发性提高。
  • 在链表出现太长时性能瓶颈显著降低。

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JDK 17 中的 ConcurrentHashMap 的优化和改进

随着 JDK 的演进，ConcurrentHashMap 在 JDK 17 中进一步完善了设计，修复了一些潜在问题，同时在结构和算法上进行了优化，提升了并发性能和稳定性。

1. 性能优化

• 更好的 CAS 重试逻辑 ：

• • CAS 失败时的回退算法（退避机制）在 JDK 17 中进一步优化，以减少自旋导致的 CPU 消耗。
  • 对热点桶（比如在高并发下频繁访问的区域）进行了优化，使冲突降低。

• 减少内存屏障的开销 ：

• • 在兼容 JMM（Java 内存模型）的约束下，减少了不必要的内存屏障，改善了具体操作中的指令开销。

• 改进批量操作的并发性能 ：

• • 提升了 forEach, search, reduce 等聚合操作的并行度和效率，尤其是在高并发场景下对大数据集的处理能力。

2. 锁冲突优化

• 在高并发场景中，当多个线程试图访问同一个节点时，JDK 17 中对节点锁的分配和抢占做了额外优化。例如，通过更智能的锁竞争算法来减少线程切换带来的上下文切换成本。

3. 红黑树相关修复

• 修复了一些早期版本中红黑树实现的边缘问题（例如某些极端情况下可能导致的死循环问题）。
• 优化了树结构在并发扩容和修改时的效率。

4. 线程挂起与唤醒机制改进

• 在高并发写操作下，当线程需要等待其他线程完成某个关键部分（如扩容操作）时，采用了更加轻量化的线程挂起与唤醒机制，减少了不必要的上下文切换和线程阻塞。

5. 代码质量和一致性

• 官方对代码进行了持续重构与优化，重点解决一些此前版本的边界条件、竞争状态（race condition）等潜在问题。
• 保持与其他并发集合类（例如 ConcurrentSkipListMap）的操作逻辑风格一致。

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JDK 7、8 和 17 中 ConcurrentHashMap 的主要差异总结

特性	JDK 7	JDK 8	JDK 17
锁机制	使用分段锁（Segment ）	基于 CAS 和 synchronized 锁	改进的 CAS，减少锁竞争
数据结构	Segment + 链表	Node + 链表 + 红黑树	更优化的 Node + 链表 + 红黑树
扩容机制	每个 Segment 独立扩容	分批迁移完成扩容	改进的扩容效率，线程间协作更高效
高并发性能	易受分段数量限制	支持更高并发	性能进一步优化，高并发吞吐率提升
复杂操作支持（如计算）	较为有限	支持 compute 等复杂操作	改进 compute 等方法的性能

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总结

1. JDK 7 采用的是分段锁模型，适合中等并发的场景。
2. JDK 8 引入了 CAS 和红黑树机制，极大提升了高并发场景下的性能，并摒弃了分段锁设计，成为近代 JVM 中并发集合的基础。
3. JDK 17 在 JDK 8 的基础上进一步提升了并发性能，对锁冲突、CAS 回退、扩容机制等进行了优化，并修复了红黑树实现中的一些边缘问题，适用于更高并发的场景。

通常情况下，使用 JDK 17 提供的 ConcurrentHashMap 即可获得最好的性能和健壮性。