ConcurrentHashMap 是 Java 中一种线程安全的哈希表实现，用于在高并发场景下替代 HashMap 的使用。它通过细粒度的锁和无锁的读操作，提供了高效的并发读写性能，是 Java 并发编程中的重要工具之一。

1. ConcurrentHashMap 的基本概念

• 线程安全性：ConcurrentHashMap 通过细粒度的锁和 CAS（Compare-And-Swap）操作来实现线程安全，确保多个线程可以并发地进行读写操作而不会导致数据不一致。
• 无锁读取：ConcurrentHashMap 的读取操作大多数情况下是无锁的，依赖于 volatile 变量的可见性保证，以及 CAS 保证修改的原子性，因此读取操作非常高效。
• 高并发性：通过分段锁和更细粒度的锁机制，ConcurrentHashMap 实现了并发读取和写入，在高并发场景中提供了比 Hashtable 更好的性能。

2. ConcurrentHashMap 的实现原理

• JDK 1.7 的分段锁机制：在 JDK 1.7 中，ConcurrentHashMap 使用了分段锁（Segment）机制。每个 Segment 相当于一个独立的小哈希表，不同的线程可以同时操作不同的 Segment，从而提高并发性能。每个 Segment 使用 ReentrantLock 实现锁定，确保线程安全。
• JDK 1.8 的改进：在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 摒弃了 Segment 的设计，转而采用了一种更细粒度的锁和 CAS 操作。
  • 数据结构：使用数组 + 链表 + 红黑树的方式存储数据。当桶（bucket）中的链表长度超过一定阈值（默认 8）时，会将链表转换为红黑树，以提高查询效率。
  • 锁的粒度：使用 synchronized 锁住特定的桶节点，而不是锁住整个数组，从而实现更高的并发性。

3. ConcurrentHashMap 的重要特性

3.1 高效并发读写

• 读取操作：大多数读取操作是无锁的，依赖于 volatile 变量和 CAS 操作来保证可见性和原子性。因此，读取操作非常高效，特别是在多线程环境下。
• 写入操作：写入操作使用 CAS 和 synchronized，当 CAS 操作失败时，才会退化到使用 synchronized 来锁住相应的桶（bucket）。这种方式确保了写操作的线程安全，同时尽可能减少锁的持有时间，提高了并发性。

3.2 红黑树优化

• 链表与红黑树：与 HashMap 类似，当桶中的链表长度超过阈值（默认 8）时，链表会转换为红黑树，以减少查询时间复杂度，提升查找效率。红黑树的查找复杂度为 O(log n)，相比链表的 O(n) 更加高效。

4. ConcurrentHashMap 的源码分析

4.1 put 方法

• put(K key, V value) 方法：put 方法用于将键值对插入到 ConcurrentHashMap 中。它首先计算键的哈希值，然后定位到对应的桶。如果桶为空，则通过 CAS 操作直接插入新节点；如果桶不为空，则使用 synchronized 锁住桶节点，确保线程安全。

  public V put(K key, V value) {
      return putVal(key, value, false);
  }
  
  private final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
      // 省略部分代码
      int hash = spread(key.hashCode());
      Node<K,V>[] tab; Node<K,V> f; int n, i;
      if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
          n = (tab = resize()).length;
      if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
          if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
              break;                   // No lock when adding to empty bucket
      }
      else {
          synchronized (f) {
              // 锁住桶节点，确保线程安全
              // 省略具体实现
          }
      }
      // 省略部分代码
  }
  

  • CAS 操作：在桶为空的情况下，使用 CAS 操作直接插入新节点，避免加锁。
  • synchronized 锁：当桶中已有节点时，使用 synchronized 锁住桶节点，确保写操作的线程安全。

4.2 get 方法

• get(Object key) 方法：get 方法用于获取指定键的值。首先计算键的哈希值，然后定位到对应的桶，通过遍历链表或红黑树来查找相应的值。

  public V get(Object key) {
      Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
      int h = spread(key.hashCode());
      if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
          (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
          if ((eh = e.hash) == h) {
              if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                  return e.val;
          }
          if (eh < 0)
              return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
          while ((e = e.next) != null) {
              if (e.hash == h &&
                  ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                  return e.val;
          }
      }
      return null;
  }
  

  • 无锁读取：读取操作不需要加锁，依赖于 volatile 变量的可见性来保证线程安全。

5. ConcurrentHashMap 的应用场景

• 缓存系统：ConcurrentHashMap 常用于缓存系统中，允许多个线程同时访问缓存数据，适用于读取频繁的场景，例如本地缓存的实现。
• 频率统计：在高并发环境中，ConcurrentHashMap 可用于实现数据统计和频率计数，能够快速、安全地对数据进行更新。
• 共享配置存储：在多线程环境中，ConcurrentHashMap 可用于存储共享配置，多个线程可以同时读取或更新配置项。

6. ConcurrentHashMap 与其他 Map 的比较

• 与 HashMap：HashMap 在多线程环境下是不安全的，容易导致数据不一致，而 ConcurrentHashMap 通过分段锁和 CAS 实现了线程安全，可以在高并发环境下使用。
• 与 Hashtable：Hashtable 使用同步锁来保证线程安全，每次读写操作都会锁住整个对象，这在高并发环境中性能较差。ConcurrentHashMap 则使用细粒度的锁和无锁读取，在性能上远优于 Hashtable。
• 与 SynchronizedMap：Collections.synchronizedMap() 返回的同步 Map 通过在每个方法上加锁来实现线程安全，类似于 Hashtable，但并发性能较低。ConcurrentHashMap 提供更高效的并发访问机制。

7. 总结

ConcurrentHashMap 是 Java 并发编程中不可或缺的数据结构，通过细粒度的锁和无锁的读操作，实现了高效的并发访问。在多线程环境下使用 ConcurrentHashMap 可以有效避免数据竞争问题，同时提供比传统同步容器更高的性能。在实际开发中，ConcurrentHashMap 常用于需要高效并发访问和修改的场景，例如缓存、频率统计等。理解其内部机制和应用场景，可以帮助开发者在多线程编程中编写更加高效、安全的代码。