Java ConcurrentHashMap分段锁机制、与Hashtable的区别及分段锁java代码实现

Dear 丶 2023-10-12 00:10 82阅读 0赞

## 分段锁 ##

分段锁（Segmented Lock）是一种用于实现并发数据结构的技术。它将数据结构分成多个段（或称为分段），每个段都有自己的锁。不同的线程可以独立地访问不同的段，从而提供了更高的并发性。当一个线程需要修改某个段的数据时，只需要获取该段对应的锁，而不会影响其他段的操作。这样可以减小锁的粒度，从而提高并发性能。

ConcurrentHashMap 是 Java 并发集合框架中的一种实现，它提供了高效的并发操作，适用于多线程环境。它的实现原理基于分段锁，内部维护了一个由多个段（Segment）组成的数组。每个段都是一个独立的散列表（HashTable），拥有自己的锁。每个段只关联部分数据，不同的段可以独立地进行操作。

当执行插入、更新或删除操作时，ConcurrentHashMap 会根据键的哈希值确定对应的段，然后获取该段的锁，以保证线程安全。而在进行读取操作时，不需要获取锁，可以实现无锁并发访问。这样就提供了更高的并发性能，同时保证了数据的一致性。

## ConcurrentHashMap VS Hashtable ##

与传统的 Hashtable 相比，ConcurrentHashMap 具有以下区别：

1.  并发性能：ConcurrentHashMap 使用分段锁机制，允许多个线程同时进行读取操作，提供了更好的并发性能。而 Hashtable 在多线程环境下，需要使用同一个全局锁，对整个数据结构进行操作，导致并发性能较差。
2.  可扩展性：ConcurrentHashMap 的分段锁机制允许不同段的操作并行进行，使得它可以支持更高的并发度。而 Hashtable 在并发环境下，由于使用全局锁，各个线程需要等待锁的释放，限制了可扩展性。
3.  迭代器弱一致性：ConcurrentHashMap 的迭代器提供弱一致性的保证，可以容忍在迭代过程中其他线程对集合进行修改。而 Hashtable 的迭代器则会抛出 ConcurrentModificationException 异常，不支持在迭代过程中修改集合。  
    总的来说，ConcurrentHashMap 在并发环境下具有更好的性能和可扩展性，而 Hashtable 则适用于单线程环境或者对线程安全性要求不高的场景。

## 分段锁的缺点 ##

尽管分段锁在并发环境下提供了一定的性能优势，但它也存在一些缺点：

1.  内存开销：使用分段锁需要维护多个锁对象，每个锁对象都需要占用内存。当并发程度较高时，需要创建的锁对象数量也会增加，从而增加了内存开销。
2.  锁竞争：虽然分段锁可以减小锁的粒度，但仍然存在锁竞争的可能性。当多个线程同时访问同一个段时，需要竞争该段的锁，如果竞争激烈，可能会导致线程等待锁释放，降低并发性能。
3.  数据迁移：在分段锁的实现中，如果需要扩容或缩容段的数量，可能需要进行数据迁移操作。这会引入额外的开销和复杂性，并且在迁移过程中需要保持数据的一致性。
4.  不支持全局操作：由于每个段都是独立的，分段锁无法提供对整个数据结构的原子操作。如果需要对整个数据结构进行全局操作，可能需要额外的同步措施。
5.  编程复杂性：分段锁的实现相对复杂，需要考虑锁的粒度、锁的获取和释放逻辑等问题。这增加了代码的编写和维护的难度，容易引入并发 bug。

综上所述，尽管分段锁可以提高并发性能，但也存在一些缺点，需要权衡使用场景和实际需求来选择适当的并发控制机制。在某些情况下，其他并发控制技术（如读写锁、无锁算法等）可能更适合。

## 分段锁java代码实现 ##

下面是一个使用分段锁的简单 Java 代码示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class SegmentedLock {
        
        private final int segments;
        private final ReentrantLock[] locks;
    
        public SegmentedLock(int segments) {
        
            this.segments = segments;
            this.locks = new ReentrantLock[segments];
            for (int i = 0; i < segments; i++) {
        
                locks[i] = new ReentrantLock();
            }
        }
    
        public void acquireLock(Object key) {
        
            int segment = getSegment(key);
            locks[segment].lock();
        }
    
        public void releaseLock(Object key) {
        
            int segment = getSegment(key);
            locks[segment].unlock();
        }
    
        private int getSegment(Object key) {
        
            // 根据键的哈希值和分段数量计算段的索引
            return Math.abs(key.hashCode()) % segments;
        }
    }

上述代码中的 `SegmentedLock` 类是一个简单的分段锁实现。它维护了一个由 `ReentrantLock` 对象组成的锁数组，数组长度由 `segments` 参数指定。在构造函数中，通过循环创建了每个段的锁对象。

`acquireLock()` 方法用于获取指定键的锁，它首先根据键计算出对应的段索引，然后获取该段的锁。

`releaseLock()` 方法用于释放指定键的锁，它同样根据键计算出段索引，然后释放该段的锁。

这只是一个简单的示例，实际使用分段锁时，还需要根据具体的应用场景和并发需求进行适当的设计和扩展。