Java并发编程之ConcurrentHashMap的原理和使用

ConcurrentHashMap（CHM）是Java为解决高并发场景下哈希表性能瓶颈而设计的线程安全容器，其核心目标在于：

• 线程安全‌：避免多线程操作导致的数据不一致问题‌；
• 高吞吐量‌：通过细粒度锁和无锁化设计降低线程竞争‌；
• 动态扩展‌：支持自动扩容与数据结构优化（如链表转红黑树）‌；

下面我们一起详细看看ConcurrentHashMap的细节是什么样的

一、ConcurrentHashMap 概述

‌ConcurrentHashMap（CHM）‌ 是 Java 并发包中实现线程安全的哈希表，其核心设计目标是‌在高并发场景下兼顾性能与线程安全‌。与 HashTable 的全表锁不同，CHM 通过‌分段锁（JDK7）‌和‌CAS+synchronized细粒度锁（JDK8+）‌ 实现高效并发控制，解决了传统同步容器的性能瓶颈‌。

二、核心工作原理

2.1 数据结构的演进

1）JDK7 分段锁机制‌

• 采用 ‌Segment 数组 + HashEntry 链表‌ 的二级结构，每个 Segment 继承 ReentrantLock，独立管理一个子哈希表。‌
• 锁粒度‌：以 Segment 为锁单位，不同 Segment 的写操作可并行‌。‌
• 缺点‌：Segment 数量固定（默认16），扩容仅针对单个 Segment，无法全局动态调整‌。

2）‌JDK8+ 优化设计‌

• Node 数组 + 链表/红黑树‌：取消 Segment，直接使用 Node 数组，链表长度超过8时转为红黑树（避免哈希冲突导致的性能退化）‌。
• 锁粒度细化‌：仅对单个桶（Node 数组元素）加锁（通过 synchronized 和 CAS），并发度更高‌。

具体版本对比如下

2.2 线程安全机制

1）CAS（Compare And Swap）‌：用于无锁化更新头节点、统计元素数量（如 sizeCtl）等场景，减少线程阻塞‌。
2‌）Synchronized 锁‌：针对具体桶（Node）加锁，仅当哈希冲突时触发，避免全局锁竞争‌。
‌3）Volatile 变量‌：保证内存可见性，如 Node.val 和 next 指针均用 volatile 修饰‌。

2.3 JDK8实现原理和源码解析

1）核心数据结构

// Node节点定义（链表结构）  
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
     
    final int hash;  
    final K key;  
    volatile V val;          // 保证可见性  
    volatile Node<K,V> next; // 保证可见性  
    // ...  
}  

// TreeNode节点（红黑树结构）  
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
     
    TreeNode<K,V> parent;  
    TreeNode<K,V> left;  
    TreeNode<K,V> right;  
    TreeNode<K,V> prev;  
    boolean red;  
}  

设计要点‌：

1. volatile修饰‌：val和next字段确保内存可见性‌；
2. 树化