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发布时间: 2024-10-22 05:40:07 阅读量: 96 订阅数: 39 


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# 1. ConcurrentHashMap概述
ConcurrentHashMap 是 Java 中一个线程安全的哈希表实现,它是 java.util.concurrent 包下的一部分,专为高并发访问设计。ConcurrentHashMap 通过利用分段锁技术,提供了一种相对HashMap和Hashtable更高级的并发性能,使它在多线程环境下能实现更好的锁分摊和减少锁竞争,从而提高程序性能。
ConcurrentHashMap 的设计目的是为了在多线程环境下提供比同步的 HashMap 更好的性能,同时它避免了 HashTable 中因为使用同步导致的低效问题。在理解 ConcurrentHashMap 的工作原理和结构之前,先来了解它的设计思想和基本特点是一个良好的开始。这将有助于我们更好地利用这一强大的数据结构,并在实际应用中做出更好的设计选择。
# 2. 深入理解ConcurrentHashMap结构
### 2.1 基本原理和设计理念
#### 2.1.1 分段锁的原理
ConcurrentHashMap的分段锁机制是为了在并发环境下提高数据操作的效率。在没有分段锁的环境中,如果多个线程同时访问同一个HashMap,那么在执行插入、删除或者修改操作时,就需要对整个容器加锁。这种操作会导致性能显著下降,尤其是在高并发的场景下。
分段锁的引入意味着ConcurrentHashMap将数据分成了多个段(Segment),每个段有一个独立的锁。这样,当线程操作不同的段时,它们不会相互影响,从而能够实现并发访问。而当线程操作的是同一个段时,它们将会获取到该段的锁,只有拿到锁的线程才能进行数据操作,其他线程只能等待,这保证了线程安全。
从实现的角度来说,ConcurrentHashMap的Segment继承自ReentrantLock,它负责维护线程的访问控制。在并发级别为默认值时(通常是16),这意味着ConcurrentHashMap内部有16个锁,能够同时处理16个线程的并发操作,极大提升了操作的并行度和效率。
#### 2.1.2 对比HashMap和Hashtable
在并发编程的环境中,传统的HashMap和Hashtable都不提供线程安全的保证。HashMap是线程不安全的,它允许在迭代过程中修改集合,这种操作会引发并发修改异常(ConcurrentModificationException)。Hashtable虽然提供了线程安全的保证,但是它的实现是通过整个容器级别的同步来完成的,这在高并发环境下会导致严重的性能问题。
ConcurrentHashMap的出现解决了这些问题。它采用了分段锁的机制,使得其内部可以同时处理多个线程操作,而不需要对整个容器加锁。这种设计让ConcurrentHashMap在高并发场景下的表现远远优于HashMap和Hashtable。与此同时,ConcurrentHashMap还在某些操作上进行了优化,比如在初始化和扩容时采用懒惰策略,进一步提高了并发性能。
### 2.2 底层数据结构详解
#### 2.2.1 节点(Node)结构
ConcurrentHashMap中的节点(Node)是一个静态内部类,用来存储键值对。它与HashMap中的Entry类似,但是加入了对并发的支持。每个节点包含了四个主要的字段:
- `key`:键对象,不可变。
- `hash`:键的哈希值。
- `val`:值对象,可以是null。
- `next`:指向下一个节点的引用,形成链表结构。
在高并发环境下,Node结构能够提供线程安全的插入、删除和访问操作。为了保证这些操作的线程安全,ConcurrentHashMap还使用了一些并发控制的机制,比如volatile关键字和CAS操作。
#### 2.2.2 树形结构的引入与转换
当链表过长时,为了提高检索效率,ConcurrentHashMap会将链表转换为红黑树,这是一种自平衡的二叉搜索树。转换为树形结构的条件通常是在链表长度超过阈值(CONSTMUS为8)时触发。这样的转换是通过TreeBin类实现的,它封装了红黑树的节点。
当链表长度减少到一定阈值(通常为6)以下时,又会从树形结构退化为链表,这一设计避免了在链表较短时树形结构带来的额外开销。
#### 2.2.3 扩容机制与迁移过程
ConcurrentHashMap的扩容机制是基于懒惰策略实现的,只有在插入新数据导致当前容量不足时才会触发扩容。扩容过程中的迁移指的是将旧数组中的数据转移到新的更大的数组中。
迁移操作分为多个步骤:
1. 创建一个新的数组,其容量通常是原来的两倍。
2. 然后开始将旧数组中的所有节点重新计算哈希值,并分配到新数组的相应位置。
3. 在迁移过程中,为了保证数据的可见性和操作的原子性,ConcurrentHashMap使用了一种特殊的节点ForwardingNode来表示某个位置的数据已经迁移完成。当其他线程访问到ForwardingNode时,会被引导到新的位置继续操作。
4. 在迁移完成后,旧数组会被替换为新数组。
这个过程确保了即使在扩容期间,ConcurrentHashMap依然可以进行正常的读写操作。
### 2.3 关键方法的工作流程
#### 2.3.1 put操作细节
put操作是ConcurrentHashMap最核心的方法之一,其基本流程可以分解为以下几个步骤:
1. 计算键的哈希值。
2. 根据哈希值确定要操作的段(Segment)。
3. 在对应段中进行插入操作,首先会检查对应位置是否已经存在要插入的键值对。
4. 如果不存在,则创建一个新的节点,并将其插入到链表中或者树中。
5. 如果操作导致了链表长度超过阈值,则将其转换为树形结构。
6. 扩容操作,如果检测到数组容量不足,则会触发扩容机制,并迁移旧数组中的数据到新数组中。
put操作中涉及到了复杂的多步操作,每一步都需要确保线程安全。ConcurrentHashMap通过分段锁和CAS操作来保证这些步骤的原子性和可见性。
#### 2.3.2 get操作细节
get操作是ConcurrentHashMap中相对简单的操作之一。其基本流程如下:
1. 计算键的哈希值。
2. 根据哈希值确定要操作的段(Segment)。
3. 在对应段中根据哈希值和键查找对应的节点,这一步会使用到volatile的语义来保证读取到的节点数据是最新的。
4. 如果找到了对应的节点,则返回节点中的值。
5. 如果节点中的值是ForwardingNode,则表示数据在扩容过程中已经被转移,需要到新的位置去读取数据。
get操作在并发环境下能够快速定位和读取数据,这得益于ConcurrentHashMap对节点结构的设计以及无锁的读取策略。
#### 2.3.3 remove操作细节
remove操作用于从ConcurrentHashMap中移除一个键值对,其流程大致如下:
1. 计算键的哈希值。
2. 根据哈希值确定要操作的段(Segment)。
3. 在对应段中查找要删除的键值对,可能需要遍历链表或树。
4. 找到后,执行删除操作,并调整链表或树的结构。
5. 如果链表长度变短,还可能触发链表到数组的退化。
remove操作需要处理并发环境下的节点删除问题,因此在实现上考虑了多线程的竞态条件,使用了复杂的同步机制来确保操作的原子性和一致性。
# 3. ConcurrentHashMap并发策略
## 3.1 锁分段技术
### 3.1.1 锁分段对性能的影响
在并发环境下,提高性能的关键在于降低锁的竞争程度,从而减少线程阻塞的时间。锁分段技术(Segmentation Locking)是ConcurrentHashMap用来减少锁竞争的主要手段之一。通过将一个大的哈希表划分成若干个小的哈希表(称为段,或者Segment),每个段独立加锁,这样当多个线程同时对不同段进行操作时,就可以避免相互之间的锁竞争。
这种分段策略极大地提升了并发度,特别是在多处理器环境下,能够显著提高程序的吞吐量。对于每个段的访问,只需获取该段对应的锁即可,而不需要像传统的同步哈希表那样获取全局锁。因此,即使是高并发的操作也不会完全阻塞,提高了整体的并发性能。
### 3.1.2 Segment类的作用与实现
在ConcurrentHashMap中,每个Segment是一个继承自ReentrantLock的子类,这种设计使得每个Segment都拥有自己的可重入锁。由于使用了分段锁,所以ConcurrentHashMap内部是由Segment数组组成的,如下代码所示:
```java
transient volatile Segment<K,V>[] segments;
```
每个Segment内部包含一个HashEntry数组,每个HashEntry元素存储着一个键值对。当进行put或get操作时,首先根据Key的哈希值定位到具体的Segment,然后该操作仅与该Segment上的HashEntry数组进行交互。例如,put操作涉及的代码如下:
```java
void addCount(long x, int check) {
Segment<K,V> s;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject
(this, segmentShift << SSHIFT + crisply)) == null) // college
s = ensureSegment(i);
s.lock();
try {
// update counts and possibly grow...
} finally {
```
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