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ConcurrentHashMap 的底层原理及是如何实现线程安全的？

news 2025/9/14 6:12:49

一、核心特性

线程安全：支持多线程并发访问，无需额外同步措施。
高效并发：读写操作分离，读操作无锁（或轻量级锁），写操作仅锁定部分数据，大幅降低锁竞争。
功能完备：实现了 ConcurrentMap 接口，支持原子性操作（如 putIfAbsent、remove 等）。

二、JDK 1.7 与 JDK 1.8 的实现差异

ConcurrentHashMap 在不同版本中实现机制差异较大，核心区别如下：

1. JDK 1.7 实现：分段锁（Segment）

结构：由 Segment 数组 + HashEntry 链表组成，每个 Segment 本质是一个小的 HashMap。
锁机制：
- 每个 Segment 独立加锁（ReentrantLock），不同 Segment 的操作互不干扰。
- 默认有 16 个 Segment，理论上支持 16 个线程同时写入

2. JDK 1.8 实现：CAS + synchronized

结构：与 HashMap 类似，采用 数组 + 链表 + 红黑树，移除了 Segment。
锁机制：
- 读操作：无锁，通过 volatile 保证可见性（读取最新值）。
- 写操作：对链表头节点或红黑树的根节点使用 synchronized 加锁，仅锁定当前桶（Bucket）。
- 利用 CAS（Compare-And-Swap）操作优化无竞争场景下的插入、更新。
优势：锁粒度更细（从 Segment 缩小到桶），并发性能更优。

三、核心操作原理

1. 读操作（get）

无需加锁，通过 volatile 修饰的节点引用，直接读取最新数据。
若读取过程中发生哈希冲突（链表或红黑树），遍历节点时判断节点是否被修改（通过 volatile 保证可见性）。

2. 写操作（put）

计算 key 的哈希值，定位到数组索引（桶）。
若桶为空，通过 CAS 操作直接插入新节点。
若桶不为空，对桶的头节点加 synchronized 锁，然后执行插入、更新或链表转红黑树操作。
插入后检查容量，如需扩容则触发 resize（多线程协作扩容）。

3. 原子操作（如 putIfAbsent）

提供 putIfAbsent(key, value) 方法：当 key 不存在时才插入，原子性执行，避免并发下的覆盖问题。
实现原理：通过 CAS + 循环重试，或加锁保证操作的原子性。

四、与其他并发容器的对比

容器	线程安全实现	读性能	写性能	适用场景
HashMap	非线程安全	高	高	单线程环境
Hashtable	全表 synchronized	低	低	并发量极低的场景
ConcurrentHashMap	JDK1.7 分段锁；JDK1.8 CAS + synchronized	极高	高	高并发读写场景（如缓存、计数器）

五、使用示例

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConcurrentHashMapDemo {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();// 插入元素map.put("apple", 1);// 原子操作：不存在则插入map.putIfAbsent("banana", 2);// 读取元素int count = map.get("apple");// 并发迭代（弱一致性，不抛出 ConcurrentModificationException）for (String key : map.keySet()) {System.out.println(key + ": " + map.get(key));}}
}