并发世界里高效共存：ConcurrentHashMap剖析之旅
2023-03-23 04:16:03
ConcurrentHashMap：Java 并发编程中的利器
在当今瞬息万变的互联网世界中，数据处理的速度和准确性至关重要。在涉及大量并发的多线程环境下，高效管理数据并确保其一致性成为了程序员面临的一大挑战。此时，ConcurrentHashMap 闪亮登场，以其优异的并发性能和丰富的功能，成为 Java 并发编程中的首选选择。
与 HashMap 的异同
ConcurrentHashMap 与 HashMap 都是 Java 中常用的 Map 数据结构，但其主要区别在于线程安全性。HashMap 是非线程安全的，这意味着当多个线程同时对其进行读写操作时，可能导致数据不一致甚至程序崩溃。而 ConcurrentHashMap 则通过采用分段锁的设计，保证了即使有多个线程同时操作，数据也能保持完整性和一致性。
当然，线程安全也带来了一定的性能开销。在并发度较低的情况下，HashMap 的性能可能会优于 ConcurrentHashMap。但在并发度较高的情况下，ConcurrentHashMap 的优势就十分明显了。
存储结构：分段锁 + 数组 + 链表
为了实现线程安全，ConcurrentHashMap 采用了分段锁的设计。它将 HashMap 划分为多个 Segment 段，每个 Segment 段由一个独立的锁来控制。这样一来，大大减少了锁竞争，提高了并发性能。
Segment 段内部采用数组和链表相结合的存储结构。数组中存储着链表的头部节点，而链表中则存储着实际的数据元素。当发生哈希冲突时，数据元素会被存储在链表中。这种结构有效地解决了哈希冲突问题，降低了查找和插入的复杂度。
存储流程：获取锁 → 计算哈希值 → 查找数据元素 → 释放锁
了解了 ConcurrentHashMap 的存储结构，我们再来看看它的存储流程。
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获取锁： 当一个线程想要对 ConcurrentHashMap 进行写操作时，需要先获取 Segment 段的锁。如果锁已经被其他线程持有，那么当前线程需要等待锁释放。
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计算哈希值： 获取到锁后，线程会计算数据元素的哈希值，并根据哈希值确定数据元素应该存储在哪个 Segment 段。
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查找数据元素： 在 Segment 段中，线程会根据哈希值查找数据元素。如果数据元素已经存在，则直接对其进行修改。如果数据元素不存在，则创建一个新的数据元素并将其添加到链表中。
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释放锁： 当对数据元素进行完操作后，线程需要释放 Segment 段的锁，以便其他线程可以访问该 Segment 段。
面试必问：ConcurrentHashMap 常见问题
1. ConcurrentHashMap 与 Hashtable 的区别？
Hashtable 是 Java 中另一个线程安全的 Map 数据结构，但它已经过时了。现在，推荐使用 ConcurrentHashMap，因为它提供了更高的并发性能和更丰富的功能。
2. ConcurrentHashMap 如何实现线程安全？
ConcurrentHashMap 通过采用分段锁的设计来实现线程安全。每个 Segment 段都有一个独立的锁，当一个线程想要对某个 Segment 段进行写操作时，需要先获取该 Segment 段的锁。这样可以大大减少锁竞争，提高并发性能。
3. ConcurrentHashMap 的并发度是多少？
ConcurrentHashMap 的并发度是指能够同时对它进行读写操作的线程数。ConcurrentHashMap 的并发度是由 Segment 段的数量决定的，Segment 段的数量越多，并发度就越高。
4. ConcurrentHashMap 的锁粒度是什么？
ConcurrentHashMap 的锁粒度是指对数据元素进行读写操作时，需要获取的锁的范围。ConcurrentHashMap 的锁粒度是 Segment 段，这意味着对一个 Segment 段中的数据元素进行读写操作时，需要获取该 Segment 段的锁。
5. ConcurrentHashMap 中的 CAS 操作原理是什么？
ConcurrentHashMap 在内部采用了 CAS（Compare-And-Swap）操作来更新数据元素。CAS 操作是一个原子操作，它将当前值与预期值进行比较。如果两者相等，则用新值替换当前值；如果不相等，则说明有其他线程已经修改了数据元素，CAS 操作会失败并重试。
结语
ConcurrentHashMap 作为 Java 并发编程的利器，凭借其优异的并发性能和丰富的功能，在互联网技术领域有着广泛的应用。它不仅可以高效地处理海量数据，而且能够保证数据的完整性和一致性。掌握 ConcurrentHashMap 的原理和使用技巧，将大大提升你的 Java 并发编程能力，让你在技术面试中脱颖而出。
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, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
// 向 ConcurrentHashMap 中添加数据元素
map.put("key1", 1);
map.put("key2", 2);
// 从 ConcurrentHashMap 中获取数据元素
Integer value1 = map.get("key1");
Integer value2 = map.get("key2");
// 移除 ConcurrentHashMap 中的数据元素
map.remove("key1");
// 遍历 ConcurrentHashMap 中的数据元素
for (String key : map.keySet()) {
Integer value = map.get(key);
System.out.println(key + ": " + value);
}
}
}
