14. 什么是ConcurrentHashMap？它是如何实现线程安全的？

PangHu大约 4 分钟

ConcurrentHashMap 是 Java 中一个线程安全的集合类，用于在并发环境下安全地操作映射（Map）。它位于 java.util.concurrent 包中，是 Map 接口的一个实现类。

ConcurrentHashMap 是在多线程环境下替代 HashMap 的理想选择，因为 HashMap 在并发访问时可能导致数据不一致问题。相较于 Hashtable，ConcurrentHashMap 提供了更高的并发性能，因为它采用了更细粒度的锁机制。

`ConcurrentHashMap` 如何实现线程安全？

ConcurrentHashMap 通过以下几种方式实现线程安全：

1. 分段锁机制（Java 7 及之前版本）

在 Java 7 及之前的版本中，ConcurrentHashMap 使用了一种称为 "分段锁"（Segmented Locking）的机制来实现线程安全。

分段（Segment）：ConcurrentHashMap 将整个哈希表分成多个段（Segment），每个段是一个独立的哈希表，并且有自己的锁。当线程访问或修改某个段内的数据时，只会锁定这个段，从而允许其他线程并发访问不同的段。这样，可以显著提高并发性能。
锁粒度：由于锁是基于段的，因此锁的粒度比 Hashtable（整个表只有一个锁）更细。多个线程可以同时操作不同的段，而不会相互阻塞。
插入和删除：插入和删除操作只会锁定涉及的段，而不会锁定整个表。

这种分段锁机制允许较高的并发访问，避免了传统哈希表在多线程环境下的性能瓶颈。

2. CAS 操作和无锁优化（Java 8 及之后版本）

从 Java 8 开始，ConcurrentHashMap 的实现发生了显著变化，分段锁机制被更加高效的 CAS（Compare-And-Swap）和无锁（Lock-Free）算法所替代。

CAS 操作：ConcurrentHashMap 使用 CAS 操作（通过 Unsafe 类的 compareAndSwapXXX 方法）来保证在多线程环境下对共享变量的原子操作。CAS 操作是一种无锁的并发编程技术，可以避免锁带来的性能开销和线程阻塞。
节点同步机制：在 Java 8 及之后的版本中，ConcurrentHashMap 通过节点级别的同步来取代之前的分段锁。它采用了一种称为“树化”（TreeBin）的机制，在冲突过多时将链表转化为红黑树，从而优化查询效率。
锁分离：对于插入和删除等需要修改结构的操作，ConcurrentHashMap 依然使用了锁，但锁的粒度已经降低到节点级别，而不是整个段或者整个表。这样可以最大程度地提高并发操作的效率。

3. 红黑树（TreeBin）

链表到红黑树的转化：当 ConcurrentHashMap 中某个桶（bucket）中的链表长度超过阈值（默认是 8）时，链表将被转换为红黑树。这种转换提高了查找的效率，从平均 O(n) 降低到 O(log n)。
树化机制的优化：红黑树本身也是线程安全的，并且在高并发下可以提供更好的性能。

4. 读操作无锁化

无锁读取：大多数读操作（如 get()）是无锁的，这意味着多个线程可以同时读取数据而不会相互阻塞。这是通过前面提到的 CAS 操作和内部数据结构的设计实现的。

`ConcurrentHashMap` 的优缺点

优点

高并发性能：通过细粒度锁、CAS 操作以及无锁读操作，ConcurrentHashMap 能在高并发环境下提供更好的性能。
线程安全：所有操作都线程安全，可以安全地在多线程环境中使用。
不阻塞的读操作：大多数读操作是无锁的，即使在高度并发的情况下，读操作也不会被阻塞。

缺点

内存开销：相比于普通的 HashMap，ConcurrentHashMap 由于复杂的实现（如分段、CAS 操作、红黑树等），内存开销更大。
复杂性：ConcurrentHashMap 的内部实现复杂，不适合在没有并发需求的简单场景中使用。

适用场景

高并发的场景：在多线程环境下频繁读写操作时，ConcurrentHashMap 是非常适合的选择，尤其是在需要大量并发读取的情况下。
需要线程安全的哈希表：当需要线程安全的 Map，但又不希望因为锁的争用而影响性能时，ConcurrentHashMap 是 Hashtable 或 synchronizedMap 的优选替代品。

总结

ConcurrentHashMap 是一个用于并发环境的高效 Map 实现。通过分段锁、CAS 操作、无锁读操作以及红黑树优化等机制，ConcurrentHashMap 在保证线程安全的同时，极大地提高了并发访问的性能。在多线程、高并发场景中，它是 HashMap 和 Hashtable 的理想替代品。