ConcurrentHashMap 是 Java 提供的一种高效、线程安全的哈希表实现，主要用于多线程环境下替代传统的 HashMap 和 Hashtable。
1. 基本概念
- 所在包：
java.util.concurrent - 线程安全： 是（高效）
- 是否支持 null 键/值： 不支持（会抛出
NullPointerException） - JDK 1.8 中采用锁分离 + CAS + 红黑树优化方案
2. 数据结构
JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 的底层结构如下：
transient volatile Node<K,V>[] table;
- 底层是一个哈希数组，数组中的每个位置是一个链表或红黑树；
- 每个桶位的节点类型为
Node<K,V> 或 TreeNode<K,V>（红黑树节点）； - 节点结构：
static class Node<K,V> {final int hash;final K key;volatile V val;volatile Node<K,V> next;
}
3. 线程安全机制
核心特性：分段锁 + CAS + synchronized 组合
| 操作 | 机制说明 |
|---|
| put（无冲突） | CAS（无锁） |
| put（冲突） | synchronized 锁定链表或树头节点 |
| get | 无锁（只读 volatile） |
| 扩容 | synchronized + 多线程协作 |
| 红黑树转换 | synchronized + TreeBin 封装 |
详细锁机制说明：
1. CAS 操作（乐观锁）
- 用于插入首节点、创建 table 等；
- 通过
Unsafe.compareAndSwapObject 保证原子性； - 高性能，失败时重试。
2. synchronized 锁节点
- 当 CAS 无法完成时（如链表存在），对桶头节点加锁；
- 范围非常小，仅锁当前链表，称为“细粒度锁”。
3. volatile 可见性
- 所有关键字段都用
volatile 修饰，确保多线程间可见性。
4. put 操作流程
步骤简述：
1. 如果 table 未初始化，初始化 table（CAS）
2. 计算 key 的 hash，定位 bucket
3. 如果 bucket 为空，使用 CAS 插入
4. 如果不为空，使用 synchronized 加锁链表或红黑树头节点：- 查找是否存在 key，若存在更新- 若不存在，插入新节点
5. 判断链表长度是否超过阈值（8），转换为红黑树
6. 判断当前元素数量是否超过负载因子，触发扩容
5. 红黑树支持
- 链表长度超过 8，且数组长度 ≥ 64 ⇒ 转为红黑树
- 优点：避免链表退化为 O(n)
- 使用
TreeBin 管理红黑树（不是直接用 TreeMap）
6. 扩容机制
与 HashMap 不同：
- HashMap：单线程扩容，可能死循环（JDK1.7）；
- ConcurrentHashMap：多线程协作扩容，无锁数据迁移。
关键点：
transfer() 方法使用 ForwardingNode 作为占位标记，避免并发冲突；- 线程在不同 bucket 上迁移，不重复工作；
- 保证并发场景下的稳定性和安全性。
7. get 操作流程（无锁）
- 计算 hash 定位 bucket；
- 顺序遍历链表或红黑树；
- 比较 key 值，返回 value；
- 所有节点使用
volatile，保证可见性。
8. 常用方法说明
| 方法 | 是否线程安全 | 说明 |
|---|
get(K key) | 是 | 无锁读取 |
put(K key, V value) | 是 | CAS + synchronized 组合 |
remove(K key) | 是 | 加锁删除 |
computeIfAbsent() | 是 | 函数式接口并发安全支持 |
forEach() | 是（弱一致性） | 遍历过程支持并发修改 |
9. ConcurrentHashMap vs HashMap vs Hashtable
| 特性 | HashMap | Hashtable | ConcurrentHashMap |
|---|
| 线程安全 | 否 | 是（全方法加锁） | 是（分段+CAS+synchronized） |
| 性能 | 高（单线程） | 低（锁粒度粗） | 高（并发环境） |
| null 支持 | ✅ 允许 null键和值 | ❌ 不允许 | ❌ 不允许 |
| 遍历时安全 | ❌ 结构变会抛异常 | ❌ 不 fail-fast | ✅ 弱一致性 |
| 使用推荐场景 | 单线程场景 | 已淘汰 | 并发读写（推荐） |
10. 注意事项和建议
- 不支持
null 作为 key 或 value； - 遍历期间可以安全地并发修改（弱一致性）；
- 不保证元素顺序；
- 适用于高并发缓存、共享数据容器；
- 如果要强一致遍历，建议使用
synchronized 或加快写入频率控制。
11. 总结
| 优点 | 说明 |
|---|
| 高效线程安全 | 分段锁+CAS+synchronized 保证效率与安全 |
| 支持高并发 | 多线程读写性能远高于 Hashtable |
| 局部加锁，粒度细 | 每次只锁单个桶位，不影响整体性能 |
| 支持红黑树优化 | 高冲突场景避免链表退化，保持高查找性能 |
| 支持多线程扩容 | 扩容性能高，避免阻塞 |
12. JDK 1.7 vs JDK 1.8：ConcurrentHashMap 实现对比
| 对比维度 | JDK 1.7 实现（老版） | JDK 1.8 实现（现代） |
|---|
| 底层结构 | Segment 数组 + HashEntry[] | Node[] 数组（无 Segment） |
| 锁粒度 | Segment 锁（分段锁，16 段默认） | 桶位节点锁（更细，基于 synchronized） |
| 锁类型 | 显式悲观锁（ReentrantLock） | CAS + synchronized（乐观 + 悲观） |
| 并发扩容 | 不支持，扩容时阻塞整个表 | 支持多线程协作扩容 |
| 红黑树优化 | 不支持，链表可能退化为 O(n) | 支持链表转红黑树，保持查询高效 |
| put/get 过程 | 需定位 Segment，再定位桶 | 直接定位数组桶，减少层级 |
| 初始化机制 | 使用 final Segment[] 延迟初始化 | 使用 CAS 创建 table，按需初始化 |
| 遍历一致性 | 弱一致性 | 弱一致性（更快） |
| null 支持 | 不支持 | 不支持 |
| 性能和扩展性 | 并发度受限于 Segment 数 | 性能更优，适用于更高并发 |
总结：
- JDK 1.7：通过「Segment 分段锁」实现线程安全，锁粒度为段，缺点是扩容时性能差、冲突严重时链表长；
- JDK 1.8：摒弃 Segment，采用「数组 + CAS + synchronized + 红黑树」架构，锁更细、效率更高、并发性能显著提升。
