关于ConcurrentHashMap的深刻理解

1.介绍ConcurrentHashMap

  ConcurrentHashMap 是 Java 中一个线程安全且高效的哈希表实现，它位于 java.util.concurrent 包下，在多线程环境下可以替代 HashTable 和同步包装器 Collections.synchronizedMap。以下将详细介绍 ConcurrentHashMap 的底层原理和常用使用方法。

2.底层原理

1. Java 7 版本

在 Java 7 中，ConcurrentHashMap 采用分段锁（Segment）机制来实现线程安全。

• 数据结构：ConcurrentHashMap 内部包含一个 Segment 数组，每个 Segment 类似于一个小的 HashMap，它继承自 ReentrantLock。每个 Segment 维护着一个 HashEntry 数组，HashEntry 是一个链表节点，用于存储键值对。
• 分段锁机制：不同的 Segment 可以被不同的线程同时访问，因此在多线程环境下，只要访问的是不同的 Segment，就不会产生锁竞争，从而提高了并发性能。只有当多个线程访问同一个 Segment 时，才需要竞争该 Segment 上的锁。

2. Java 8 版本

Java 8 对 ConcurrentHashMap 进行了重大改进，摒弃了分段锁机制，采用 CAS（Compare-And-Swap）和 synchronized 来保证并发安全。

• 数据结构：ConcurrentHashMap 采用数组 + 链表 + 红黑树的结构。当链表长度超过一定阈值（默认为 8）且数组长度大于 64 时，链表会转换为红黑树，以提高查找效率。
• CAS 和 synchronized：
  • CAS：在插入或更新元素时，首先使用 CAS 操作尝试直接修改数组中的节点，如果操作成功，则表示插入或更新成功；如果失败，则说明有其他线程在同时操作，此时需要使用 synchronized 进行同步。
  • synchronized：当需要对某个节点进行修改时，会使用 synchronized 对该节点进行加锁，保证同一时刻只有一个线程可以对该节点进行操作。

3.常用使用方法

1. 初始化 ConcurrentHashMap

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化一个空的 ConcurrentHashMap
        ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
    }
}

2. 添加元素

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
        // 添加单个元素
        map.put("apple", 1);
        // 如果指定的键不存在，则添加该键值对
        map.putIfAbsent("banana", 2);
    }
}

3. 获取元素

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("apple", 1);
        // 根据键获取值
        Integer value = map.get("apple");
        System.out.println(value); // 输出: 1
    }
}

4. 删除元素

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("apple", 1);
        // 根据键删除元素
        Integer removedValue = map.remove("apple");
        System.out.println(removedValue); // 输出: 1
    }
}

5. 遍历元素

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.Map;

public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("apple", 1);
        map.put("banana", 2);

        // 使用 for-each 循环遍历键值对
        for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
            System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());
        }
    }
}

6. 统计元素数量

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("apple", 1);
        map.put("banana", 2);
        // 获取元素数量
        int size = map.size();
        System.out.println(size); // 输出: 2
    }
}

4.ConcurrenntHashMap在java8中具体做了哪些优化

在 Java 8 中，ConcurrentHashMap 相较于 Java 7 版本有了重大的优化，下面从数据结构、锁机制、并发操作等方面详细介绍这些优化点。

1. 数据结构优化

• 摒弃分段锁，采用数组 + 链表 + 红黑树
  • Java 7：使用分段锁（Segment）机制，ConcurrentHashMap 内部是一个 Segment 数组，每个 Segment又包含一个 HashEntry 数组，本质上相当于多个小的 HashMap。
  • Java 8：采用数组 + 链表 + 红黑树的结构。数组用于存储节点，当发生哈希冲突时，相同哈希值的节点会以链表的形式存储在数组的对应位置。当链表长度超过一定阈值（默认为 8）且数组长度大于 64 时，链表会转换为红黑树；当红黑树节点数量小于等于 6 时，红黑树会转换回链表。这种结构在处理哈希冲突时，尤其是在链表较长的情况下，能显著提高查找、插入和删除操作的效率，因为红黑树的时间复杂度为 O(log n)，而链表为 O(n)。

2. 锁机制优化

• 使用 CAS 和 synchronized 替代分段锁
  • Java 7：使用分段锁，不同的 Segment 可以被不同的线程同时访问，只有访问同一个 Segment 时才会产生锁竞争。但这种方式在某些场景下可能会导致锁的粒度较大，影响并发性能。
  • Java 8：采用 CAS（Compare-And-Swap）和 synchronized 来保证并发安全。
    • CAS：在插入或更新元素时，首先使用 CAS 操作尝试直接修改数组中的节点。CAS 是一种无锁算法，通过比较内存中的值和预期值是否相等来决定是否更新，操作是原子性的。如果操作成功，则表示插入或更新成功；如果失败，则说明有其他线程在同时操作，此时需要使用 synchronized 进行同步。
    • synchronized：当需要对某个节点进行修改时，会使用 synchronized 对该节点进行加锁，保证同一时刻只有一个线程可以对该节点进行操作。synchronized 在 Java 8 中进行了大量优化，性能有了显著提升，而且锁的粒度更小，只对单个节点加锁，相比 Java 7 的分段锁，并发性能得到了进一步提高。

3. 并发操作优化

• 支持并发的 compute、computeIfAbsent 和 computeIfPresent 等方法
  • compute 方法：允许根据键的当前值（如果存在）和给定的计算函数来计算并更新值。这个方法在多线程环境下可以安全地执行更新操作，避免了先检查后更新带来的并发问题。
  • computeIfAbsent 方法：如果指定的键不存在，则使用给定的函数计算一个值，并将其插入到 ConcurrentHashMap 中。这个方法可以避免在多线程环境下重复计算相同键的值。
  • computeIfPresent 方法：如果指定的键存在，则使用给定的函数计算一个新值，并更新该键对应的值。

4. 遍历操作优化

• 弱一致性迭代器：Java 8 的 ConcurrentHashMap 提供了弱一致性的迭代器，在迭代过程中，即使其他线程对 ConcurrentHashMap 进行了修改，迭代器也能继续工作，不会抛出 ConcurrentModificationException。这是因为迭代器在创建时会记录当前 ConcurrentHashMap 的快照，在迭代过程中会尽量反映出创建时的状态，同时也会尝试反映后续的修改，但不保证完全一致。这种弱一致性的设计在多线程环境下提供了更好的并发性能。

以下是一个使用 computeIfAbsent 方法的示例代码：

java

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapComputeIfAbsentExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
        // 如果键 "apple" 不存在，则计算值并插入
        Integer value = map.computeIfAbsent("apple", k -> 1);
        System.out.println(value); // 输出: 1
    }
}

综上所述，Java 8 的 ConcurrentHashMap 通过数据结构、锁机制、并发操作和遍历操作等方面的优化，提高了并发性能和使用的便利性。