ConcurrentHashMap 剖析：揭开并发 HashMap 的秘密
2024-02-17 21:17:24
深入揭秘 ConcurrentHashMap：Java 并发编程的基石
在现代多线程编程中，共享数据结构的管理至关重要。ConcurrentHashMap 是 Java 中的旗舰并发集合，以其出色的线程安全性和高并发性能而闻名。本文将带你踏上探索 ConcurrentHashMap 源码的旅程，揭开它高效运作背后的秘密。
分段锁：多线程并发访问的基石
ConcurrentHashMap 采用了“锁分段”技术，将数据存储在多个段中，每个段都由一把锁保护。当一个线程获取一个段的锁时，它可以独占访问该段中的数据，而其他线程可以并发访问其他段的数据。这种机制有效地减少了锁竞争，提高了并发性。
CAS + Synchronized：JDK 8 中的优化
Java 8 对 ConcurrentHashMap 进行了改进，引入了 CAS（比较并交换）和 Synchronized 机制相结合的新设计。CAS 是一种无锁技术，允许线程在不阻塞的情况下更新共享变量。而 Synchronized 是一种锁机制，用于保护临界区代码。这种混合方法将 CAS 用于并发更新，而将 Synchronized 用于保护内部数据结构，有效地减少了锁竞争并提高了吞吐量。
分段机制的深入分析
ConcurrentHashMap 将数据存储在称为段的数组中。每个段都包含一个哈希表和一把锁。当一个线程访问一个键值对时，它首先计算键的哈希值并将其映射到一个段。然后线程尝试获取该段的锁，以便独占访问该段中的数据。一旦获取到锁，线程就可以安全地对该段中的数据进行读写操作。
CAS 操作的巧妙运用
ConcurrentHashMap 使用 CAS 操作来实现并发更新。CAS 操作包含三个参数：要更新的变量、预期的值和要更新的新值。如果变量的当前值与预期值相匹配，则 CAS 操作将使用新值更新该变量并返回 true。否则，CAS 操作将失败并返回 false。通过这种方式，ConcurrentHashMap 可以安全地更新共享变量，而无需使用锁。
Synchronized 的保护作用
ConcurrentHashMap 还使用 Synchronized 来保护其内部数据结构。例如，当需要调整段数组的大小时，ConcurrentHashMap 会使用 Synchronized 块来确保操作的原子性和一致性。通过将 Synchronized 与 CAS 结合使用，ConcurrentHashMap 可以保证线程安全的同时最大限度地提高并发性。
高性能和可扩展性的秘密
ConcurrentHashMap 的高性能和可扩展性源于其精心的设计和实现。通过采用分段锁机制，它有效地减少了锁竞争。而使用 CAS 和 Synchronized 的结合，它实现了无锁和锁保护之间的完美平衡。此外，ConcurrentHashMap 的可扩展性归功于其分段架构，允许随着并发性的增加而动态扩展段的数量。
代码示例
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class ConcurrentHashMapExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
// 向 HashMap 中添加键值对
map.put("key1", "value1");
map.put("key2", "value2");
map.put("key3", "value3");
// 从 HashMap 中获取值
String value1 = map.get("key1");
String value2 = map.get("key2");
String value3 = map.get("key3");
// 输出键值对
System.out.println("key1: " + value1);
System.out.println("key2: " + value2);
System.out.println("key3: " + value3);
}
}
常见问题解答
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ConcurrentHashMap 和 HashMap 有什么区别？
ConcurrentHashMap 是线程安全的，而 HashMap 不是。ConcurrentHashMap 采用锁分段技术和 CAS 操作来实现线程安全性。
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ConcurrentHashMap 中的分段锁是如何工作的？
数据存储在多个段中，每个段都由一把锁保护。当一个线程访问一个键值对时，它需要获取该键值对所在段的锁。
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CAS 操作在 ConcurrentHashMap 中有什么作用？
CAS 操作用于并发更新共享变量，而无需使用锁。它允许线程在不阻塞的情况下更新变量。
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Synchronized 在 ConcurrentHashMap 中如何使用？
Synchronized 用于保护 ConcurrentHashMap 的内部数据结构，例如段数组的调整。它确保了操作的原子性和一致性。
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ConcurrentHashMap 的性能如何？
ConcurrentHashMap 的性能很高，因为它是专门为并发访问而设计的。它通过锁分段、CAS 操作和 Synchronized 的结合来实现高并发性和可扩展性。
