你不懂Java之ConcurrentHashMap

2023-10-15 19:28:12

ConcurrentHashMap：揭开并发的奥秘

在并发编程领域，ConcurrentHashMap 扮演着至关重要的角色。它是一种线程安全的 HashMap 实现，在多线程环境下提供了卓越的性能和数据一致性。在这个博客中，我们将深入探索 ConcurrentHashMap 的底层原理，揭开它并发的秘密。

分段锁机制：化解竞争

ConcurrentHashMap 巧妙地采用了分段锁机制 来应对并发环境中的竞争问题。它将哈希表划分为多个子段（Segment），每个子段都有自己的锁。当一个线程对某个键值对进行操作时，它会先获取该键值对所在子段的锁。这样，即使多个线程同时对 ConcurrentHashMap 进行操作，也不会出现并发冲突。

CAS 操作：原子性的保障

除了分段锁机制，ConcurrentHashMap 还使用了CAS（比较并交换） 操作来保证原子性。CAS 操作可以确保一个线程在修改共享变量时，不会被其他线程干扰。

当一个线程准备修改某个键值对时，它会先获取该键值对的期望值 ，然后用 CAS 操作将实际值 与期望值进行比较。如果两者相等，则说明该键值对没有被其他线程修改过，这时线程可以放心地进行修改操作。否则，线程会重新获取期望值，并再次进行 CAS 操作。

ConcurrentHashMap 的优势

线程安全： 分段锁机制和 CAS 操作保证了 ConcurrentHashMap 在并发环境下的数据安全性和一致性。
高并发性能： 分段锁机制将锁的竞争范围缩小到了子段级别，大大提高了并发性能。
可扩展性： 分段锁机制支持动态调整子段数量，可以根据需要扩展并发能力。

ConcurrentHashMap 的缺点

内存消耗： 分段锁机制需要为每个子段分配一个锁对象，这可能会导致额外的内存消耗。
性能开销： 分段锁机制和 CAS 操作会带来一定的性能开销，在某些场景下可能不如其他并发集合（如 CopyOnWriteArrayList）高效。

何时使用 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 特别适用于以下场景：

需要在并发环境下维护数据一致性的应用程序。
对并发性能有较高要求的应用程序。
可扩展性是关键考虑因素的应用程序。

代码示例

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建 ConcurrentHashMap
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

        // 多个线程同时向 ConcurrentHashMap 中添加键值对
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                map.put("key" + i, i);
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 1000; i < 2000; i++) {
                map.put("key" + i, i);
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 打印 ConcurrentHashMap 中的键值对
        for (String key : map.keySet()) {
            System.out.println(key + " : " + map.get(key));
        }
    }
}

常见问题解答

ConcurrentHashMap 与 HashMap 有什么区别？
- ConcurrentHashMap 是线程安全的 HashMap 实现，而 HashMap 不是线程安全的。
ConcurrentHashMap 的分段数量如何确定？
- ConcurrentHashMap 的分段数量可以通过构造函数参数或 System.getProperty("java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.size") 进行设置。默认情况下，它会根据处理器核心数进行计算。
CAS 操作失败后，ConcurrentHashMap 会如何处理？
- CAS 操作失败后，ConcurrentHashMap 会自旋重试，直到操作成功或达到最大重试次数。
ConcurrentHashMap 的内存开销是多少？
- ConcurrentHashMap 的内存开销与分段数量和键值对数量有关。每个子段需要一个锁对象，并且每个键值对需要额外的内存空间来存储元数据。
ConcurrentHashMap 在哪些场景下不适合使用？
- 如果并发性不是主要考虑因素，或者需要频繁地遍历或修改整个 ConcurrentHashMap，则不适合使用 ConcurrentHashMap。