Java ConcurrentHashMap详解(概念、底层原理、加锁机制)

随着多核处理器的普及，多线程编程变得越来越重要。Java语言提供了一系列并发工具类，而ConcurrentHashMap便是其中之一。它不仅提高了多线程环境下的性能，还简化了并发编程模型。接下来，我们将深入探讨ConcurrentHashMap的内部工作原理。

一、ConcurrentHashMap的基本概念

ConcurrentHashMap是Java标准库中的一个类，位于java.util.concurrent包下。它是一个线程安全的哈希表，允许完全并发的读取以及高并发的更新。不同于Hashtable或Collections.synchronizedMap，ConcurrentHashMap在内部进行了优化，使其能够支持更高级别的并发操作。

二、特点

1. 线程安全：ConcurrentHashMap通过分段锁技术（Segment Locking）来保证线程安全，每个Segment可以独立的进行锁控制。
   

2. 高并发：由于其分段锁的机制，多个线程可以同时访问不同段的数据，从而提高了并发性能。
   

3. 高效的迭代器：ConcurrentHashMap提供了一个弱一致性的迭代器，这意味着迭代过程中不会抛出ConcurrentModificationException异常，尽管可能会遇到某些元素被其他线程修改的情况。
   

三、底层原理

ConcurrentHashMap的核心在于它的分段锁技术。具体来说，ConcurrentHashMap内部维护了一个Segment数组，Segment对象中包含一个HashEntry数组，而这个HashEntry数组就是用来存储实际数据的。

1. Segment: Segment是一种可重入锁（ReentrantLock），每个Segment会维护一个链表数组，用于解决哈希冲突。
   

2. HashEntry: 这是ConcurrentHashMap中的一个静态内部类，用于存储具体的键值对以及指向下一个HashEntry的引用以形成链表。
   

在JDK8及之后的版本中，ConcurrentHashMap废弃了Segment分段锁，转而采用Node数组来实现，并结合CAS操作和Synchronized来实现高效并发。这种结构使ConcurrentHashMap的性能进一步提升。

四、加锁机制

ConcurrentHashMap的加锁机制经历了两个主要版本的演进：

JDK1.7及之前版本

使用Segment数组作为主要的加锁对象。每个Segment对象持有一个锁，对于同一把锁，同时只会有一个线程能访问该Segment中的HashEntry数组。当多个线程访问不同的Segment时，它们之间不会产生锁竞争，从而提升了并发性能。

JDK1.8及之后版本

彻底摒弃了Segment分段锁，改为使用Node数组、CAS无锁操作以及Synchronized块来保证并发的安全性。

1. CAS（Compare and Swap）: CAS是一种原子操作，用于在不使用锁的情况下实现数据的一致性和原子性。
   

2. Synchronized: 在必要的情况下，例如链表转红黑树的过程中，仍然会用到Synchronized关键字来确保线程安全。

ConcurrentHashMap通过其精巧的设计和高效的并发控制机制，使得它在多线程环境中表现出色。无论是早期基于Segment的实现，还是现代基于CAS和Synchronization的结合，都体现了Java在并发编程领域的卓越设计思想。理解这些底层原理，不仅有助于我们更好地利用ConcurrentHashMap，还能帮助我们在面对复杂并发问题时更加游刃有余。

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