一探ConcurrentHashMap的机制与细节，深度理解并发HashMap

2023-09-05 20:51:06

ConcurrentHashMap的出现背景

在并发编程中，HashMap是一种非常常用的数据结构，它可以高效地存储和检索键值对。但是在并发环境下，直接使用HashMap会导致线程安全问题。这是因为HashMap的put和get操作并不是原子性的，如果两个线程同时对同一个key进行put操作，就有可能导致数据不一致。为了解决这个问题，Java提供了ConcurrentHashMap类，它是一个线程安全的HashMap实现。

ConcurrentHashMap的基本原理

ConcurrentHashMap的实现原理是基于分段锁和CAS（Compare and Swap）操作。ConcurrentHashMap将整个Map划分为多个Segment（分段），每个Segment包含一个Hash表。当一个线程需要对ConcurrentHashMap进行操作时，它首先会根据key的hashCode值计算出应该操作哪个Segment，然后对该Segment加锁。这样就可以保证同一时刻只有一个线程可以对同一个Segment进行操作，从而避免了线程安全问题。

ConcurrentHashMap还使用了CAS操作来更新Map中的数据。CAS操作可以保证在更新数据时不会被其他线程干扰。当一个线程需要更新ConcurrentHashMap中的数据时，它会先读取数据当前的值，然后用CAS操作将数据更新为新的值。如果CAS操作成功，说明数据没有被其他线程修改过，更新操作成功；如果CAS操作失败，说明数据已经被其他线程修改过，更新操作失败，需要重新执行CAS操作。

ConcurrentHashMap的实现细节

ConcurrentHashMap的实现细节非常复杂，这里只介绍一些最核心的部分。

Segment： Segment是ConcurrentHashMap的基本组成单元，它包含一个Hash表和一个锁。当一个线程需要对ConcurrentHashMap进行操作时，它首先会根据key的hashCode值计算出应该操作哪个Segment，然后对该Segment加锁。这样就可以保证同一时刻只有一个线程可以对同一个Segment进行操作，从而避免了线程安全问题。
Hash表： Hash表是Segment中存储键值对的地方。Hash表的实现与普通的HashMap相同，它使用数组和链表来存储键值对。
CAS操作： CAS操作是一种原子操作，它可以保证在更新数据时不会被其他线程干扰。当一个线程需要更新ConcurrentHashMap中的数据时，它会先读取数据当前的值，然后用CAS操作将数据更新为新的值。如果CAS操作成功，说明数据没有被其他线程修改过，更新操作成功；如果CAS操作失败，说明数据已经被其他线程修改过，更新操作失败，需要重新执行CAS操作。

ConcurrentHashMap的使用技巧和注意事项

在使用ConcurrentHashMap时，需要注意以下几点：

选择合适的并发级别： ConcurrentHashMap的并发级别决定了它可以同时有多少个线程进行并发操作。并发级别越高，ConcurrentHashMap的吞吐量就越高，但同时也会增加内存占用。在实际使用中，应根据实际情况选择合适的并发级别。
避免锁竞争： 在使用ConcurrentHashMap时，应尽量避免锁竞争。锁竞争是指多个线程同时争夺同一个锁，从而导致性能下降。为了避免锁竞争，可以采用以下策略：
- 使用多个Segment：ConcurrentHashMap将整个Map划分为多个Segment，每个Segment包含一个Hash表和一个锁。当一个线程需要对ConcurrentHashMap进行操作时，它首先会根据key的hashCode值计算出应该操作哪个Segment，然后对该Segment加锁。这样就可以保证同一时刻只有一个线程可以对同一个Segment进行操作，从而避免了锁竞争。
- 使用CAS操作：CAS操作是一种原子操作，它可以保证在更新数据时不会被其他线程干扰。当一个线程需要更新ConcurrentHashMap中的数据时，它会先读取数据当前的值，然后用CAS操作将数据更新为新的值。如果CAS操作成功，说明数据没有被其他线程修改过，更新操作成功；如果CAS操作失败，说明数据已经被其他线程修改过，更新操作失败，需要重新执行CAS操作。
注意线程安全： ConcurrentHashMap是一个线程安全的集合类，但它并不意味着可以完全避免线程安全问题。在使用ConcurrentHashMap时，仍需要考虑线程安全问题。例如，如果在遍历ConcurrentHashMap时对它进行修改，就有可能导致线程安全问题。