【Java 基础】ConcurrentHashMap 底层原理

末蓝、 2024-03-16 14:34 31阅读 0赞

tip：作为程序员一定学习编程之道，一定要对代码的编写有追求，不能实现就完事了。我们应该让自己写的代码更加优雅，即使这会费时费力。

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#### 文章目录 ####

*  一、ConcurrentHashMap 底层原理
 *  二、ConcurrentHashMap在java8和java7它的实现一样吗？
 *  三、Java 8 ConcurrentHashMap 主要实现方式
 *  四、应用

## 一、ConcurrentHashMap 底层原理 ##

ConcurrentHashMap 是线程安全的哈希表，它是 Java 并发包中提供的一种高效的并发 Map 实现。ConcurrentHashMap 底层采用了分段锁的机制，不同的段（Segment）可以被不同的线程同时访问，从而提高了并发性能。

ConcurrentHashMap 采用了数组 + 链表 + 红黑树的数据结构来实现哈希表。数组的每个元素都是一个段（Segment），每个段都是一个独立的哈希表，包含了若干个键值对。每个段都有自己的锁，不同的段可以被不同的线程同时访问，从而提高了并发性能。

ConcurrentHashMap 的 put 操作和 get 操作都是非常高效的，因为它们都可以并发进行，不需要对整个哈希表加锁。在进行 put 操作时，先根据 key 的哈希值找到对应的段，然后对该段加锁，再在该段中进行插入操作；在进行 get 操作时，也是先根据 key 的哈希值找到对应的段，然后对该段加锁，再在该段中进行查找操作。这样就可以实现高并发的插入和查找操作。

ConcurrentHashMap 的扩容过程也是非常高效的。当某个段的元素个数超过了阈值时，就会触发扩容操作。在进行扩容操作时，只需要对该段加锁，不需要对整个哈希表加锁。同时，扩容时只需要将旧的元素重新分配到新的段中即可，不需要像 HashMap 那样重新计算所有元素的哈希值，因此扩容的效率更高。

总之，ConcurrentHashMap 底层采用了分段锁的机制，不同的段可以被不同的线程同时访问，从而提高了并发性能。同时，它采用了数组 + 链表 + 红黑树的数据结构来实现哈希表，具有高效的插入、查找、扩容等操作。

## 二、ConcurrentHashMap在java8和java7它的实现一样吗？ ##

Java 8 中的 ConcurrentHashMap 引入了新的实现方式，称为基于 CAS（Compare and Swap）的实现，相比于 Java 7 中的基于分段锁的实现，具有更好的性能表现。此外，Java 8 中的 ConcurrentHashMap 还引入了新的方法，如 forEach、reduce、search 等，使得对 ConcurrentHashMap 的操作更加方便和高效。但是，Java 7 中的 ConcurrentHashMap 仍然可以使用，并且在某些场景下，其性能表现可能更好。

总结：  
java 8：CAS + 分段锁  
java 7：分段锁

## 三、Java 8 ConcurrentHashMap 主要实现方式 ##

Java 8 中的 ConcurrentHashMap 实现采用了基于 CAS 的方式，其主要实现逻辑如下：

1.  ConcurrentHashMap 内部采用了一个数组来存储数据，每个数组元素称为一个“桶”，每个桶又是一个链表或红黑树，用于存储键值对。数组的大小会根据当前元素数量动态调整。
2.  ConcurrentHashMap 中的每个桶都有一个链表或红黑树，用于存储键值对。当链表长度超过阈值（默认为 8）时，会将链表转换为红黑树，以提高查找效率。
3.  ConcurrentHashMap 中的每个桶都有一个“基准计数”，用于记录该桶中键值对的数量。同时，每个线程都会维护一个“本地计数”，用于记录该线程向 ConcurrentHashMap 中插入的键值对数量。
4.  ConcurrentHashMap 中的 put 操作会先根据 key 的哈希值找到对应的桶，然后对该桶进行加锁（采用了一种乐观锁的方式，即不断尝试 CAS 操作），如果加锁成功，则进行插入操作。插入操作包括两个步骤：首先将键值对插入到桶中，然后将“基准计数”加 1。如果加锁失败，则重试插入操作。
5.  ConcurrentHashMap 中的 get 操作也会先根据 key 的哈希值找到对应的桶，然后对该桶进行加锁，如果加锁成功，则在该桶中查找对应的键值对。查找操作包括两个步骤：首先遍历链表或红黑树，查找对应的键值对；然后将“本地计数”加 1。如果加锁失败，则重试查找操作。
6.  ConcurrentHashMap 中的扩容操作会将所有的桶都进行扩容，扩容时会对每个桶进行加锁，不同的桶可以被不同的线程同时扩容。扩容操作包括两个步骤：首先将旧桶中的键值对重新分配到新桶中，然后将“基准计数”更新为新桶中键值对的数量。

总之，Java 8 中的 ConcurrentHashMap 实现采用了基于 CAS 的方式，同时引入了一些新的优化，如红黑树、基准计数、乐观锁等，使得其性能得到了很大的提升。

## 四、应用 ##

package com.pany.camp.base;
    
    import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
    
    public class ConcurrentHashMapExample {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
    
            // 插入数据
            map.put("apple", 1);
            map.put("banana", 2);
            map.put("cherry", 3);
    
            // 获取数据
            System.out.println("apple: " + map.get("apple"));
            System.out.println("banana: " + map.get("banana"));
            System.out.println("cherry: " + map.get("cherry"));
    
            // 遍历数据
            map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));
        }
    
    }

我们创建了一个 ConcurrentHashMap 对象，并向其中插入了三个键值对。然后，我们分别使用 get 方法获取了这三个键对应的值，并使用 forEach 方法遍历了整个 ConcurrentHashMap。这个例子展示了 ConcurrentHashMap 的基本用法，包括插入、获取和遍历数据。由于 ConcurrentHashMap 是线程安全的，因此在多线程环境下使用时，不需要额外的同步措施，可以保证数据的一致性和正确性。

[Java_Java]: https://blog.csdn.net/qq_37967783/article/details/130940512