CurrentHashMap的原理是什么

原理

• ConcurrentHashMap 是 Java 提供的一种线程安全的高并发哈希表，基于 分段锁（JDK 1.7）或 CAS + 同步（JDK 1.8）实现。
• 核心思想：
• 将数据分段存储，减少锁粒度，提升并发性能。
• JDK 1.8 实现：
• 底层：数组 + 链表 + 红黑树。
• 并发控制：CAS（无锁操作）+ synchronized（锁桶头）。

关键点

• 高并发：多线程安全读写。
• 无锁读：读取无需加锁。
• 优化锁：写操作锁粒度小。

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1. ConcurrentHashMap 原理详解

(1) 数据结构

• JDK 1.7：
• Segment 数组 + HashEntry 数组：
  • Segment 是分段锁单元，每个包含一个 HashEntry[]。
  • 每个 HashEntry 是链表。
• JDK 1.8：
• Node 数组 + 链表/红黑树：
  • 直接用 Node[] 存储，类似 HashMap。
  • 链表长度 > 8 且数组容量 ≥ 64 时转红黑树。
• 变化：
  • 移除 Segment，锁粒度更细。

(2) 并发控制

• JDK 1.7：
• 分段锁（Segment Lock）：
  • 每个 Segment 继承 ReentrantLock，锁住一段数据。
  • 并发度由 Segment 数量决定（默认 16）。
• 读写：
  • 写操作锁 Segment，读操作无锁（volatile 保证可见性）。
• JDK 1.8：
• CAS + synchronized：
  • CAS：无锁操作（如初始化、扩容）。
  • synchronized：锁桶头节点（Node），只锁单链表或树。
• 读写：
  • 读：无锁，靠 volatile。
  • 写：锁首节点，粒度更小。

(3) 核心操作

• put 操作：
• 计算哈希，定位桶。
• 若桶为空，用 CAS 插入。
• 若桶非空，synchronized 锁首节点，插入链表/红黑树。
• 链表超长，转红黑树。
• get 操作：
• 无锁读取，遍历桶内链表/红黑树。
• 扩容：
• 多线程协同，分段迁移（transfer）。
• 用 sizeCtl 控制扩容状态。

(4) 关键字段

• Node[] table：
• 主数组，存储键值对。
• volatile int sizeCtl：
• 控制初始化和扩容（负数表示进行中）。
• Node 的 volatile：
• 保证可见性。

源码片段（put）

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    Node<K,V>[] tab = table;
    for (;;) {
        if (tab == null) initTable(); // 初始化
        int n = tab.length, i = (n - 1) & hash;
        Node<K,V> f = tabAt(tab, i);
        if (f == null) { // 桶为空，CAS 插入
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
                break;
        } else { // 桶非空，锁首节点
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 链表或红黑树插入
                }
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount); // 更新 size
    return null;
}

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2. JDK 1.7 vs 1.8

特性	JDK 1.7	JDK 1.8
结构	Segment + HashEntry	Node + 链表/红黑树
锁机制	Segment Lock	CAS + synchronized
并发度	Segment 数量（默认 16）	数组长度（动态调整）
读性能	无锁读	无锁读（更细粒度）
写性能	锁整段	锁单桶
扩容	单线程	多线程协同

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3. 性能优势

• 高并发：
• 1.8 锁粒度更小，写冲突减少。
• 无锁读：
• volatile 保证可见性，读无需同步。
• 红黑树：
• 长链表转树，查询 O(log n)。
• 多线程扩容：
• 1.8 分担迁移任务。

数据

• 单线程：与 HashMap 接近。
• 多线程：比 Hashtable 高数倍（后者全表锁）。

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4. 延伸与面试角度

• 与 HashMap 对比：
• HashMap：非线程安全。
• ConcurrentHashMap：线程安全，性能优于 synchronized HashMap。
• 实际应用：
• 缓存：多线程共享数据。
• 配置：高并发读写。
• 局限：
• 不保证强一致性（读写间可能不即时同步）。
• 面试点：
• 问“原理”时，提 CAS 和红黑树。
• 问“区别”时，提 1.7 分段锁。

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总结

ConcurrentHashMap 靠分段存储和细粒度锁实现高并发，1.8 用 CAS + synchronized 替代 1.7 的 Segment 锁，结合红黑树优化性能。面试时，可提源码片段或画桶结构，展示理解深度。