Java并发体系--ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全的哈希表实现类。它继承自HashMap，具有与HashMap相似的功能，但在并发的场景下提供了更好的性能。

ConcurrentHashMap采用了锁分段技术来实现线程安全。它将哈希表分成多个段（Segment），每个段管理一部分的键值对。不同的线程可以同时访问不同的段，从而提高并发性能。

在ConcurrentHashMap中，每个段内部维护一个HashEntry数组，通过哈希值将键值对分别存储到不同的数组位置上。当多个线程同时访问不同的段时，它们可以同时进行读取操作，而对于同一段的写操作会进行同步处理。

ConcurrentHashMap还提供了一些其他的线程安全的操作，例如原子性的putIfAbsent、replace和remove等方法，以及批量操作的forEach和replaceAll方法。

CAS + Synchronized

ConcurrentHashMap是一个线程安全的哈希表，它使用了一种结合了CAS（Compare and Swap）和Synchronized（同步）的锁机制来保证线程安全性。

在ConcurrentHashMap中，CAS用于保证对于哈希表的读写操作的原子性。CAS是一种乐观锁机制，它通过比较内存中的值与期望值是否相等来确定该值是否被修改过。如果相等，则将新值写入内存，否则重新尝试。这样可以避免了传统的锁机制所带来的性能损失。

在ConcurrentHashMap中，Synchronized用于保证对于哈希表的结构修改操作的原子性。当需要对哈希表进行插入、删除、更新等操作时，使用Synchronized来保证同一时间只有一个线程能够修改哈希表的结构，从而避免了并发修改导致的数据不一致性。

ConcurrentHashMap使用CAS和Synchronized相结合的方式来保证线程安全。CAS保证了对于哈希表的读写操作的原子性，而Synchronized保证了对于哈希表的结构修改操作的原子性。这种结合方式既保证了线程安全，又尽可能地提高了并发性能。

重要内部类

ConcurrentHashMap 的重要内部类主要包括以下几种：

Segment：Segment 是 ConcurrentHashMap 的内部类，它本质上是一个 HashEntry 数组，用于存储键值对。ConcurrentHashMap 使用多个 Segment 来分割整个哈希表，每个 Segment 管理一部分键值对，不同的线程可以同时访问不同的 Segment，从而实现并发访问。
HashEntry：HashEntry 是 ConcurrentHashMap 内部用于存储键值对的节点。每个 HashEntry 包含一个 key 和一个 value，它们通过链表的方式连接在一起形成一个桶。当多个键值对的 hash 值相同时，它们会存储在同一个桶中，通过链表来解决哈希冲突。
HashIterator：HashIterator 是 ConcurrentHashMap 的内部迭代器，用于遍历 ConcurrentHashMap 中的键值对。它继承了抽象类 ConcurrentHashMap.Traverser，并实现了 Iterator 接口。HashIterator 通过遍历每个 Segment 中的 HashEntry 数组来实现对 ConcurrentHashMap 的遍历。
KeySetView：KeySetView 是 ConcurrentHashMap 的内部类，它实现了 Set 接口，用于获取 ConcurrentHashMap 的键的视图。KeySetView 通过内部类方式实现，包含了一个 ConcurrentHashMap 和一个共享的默认值。当对 KeySetView 进行操作时，会影响到 ConcurrentHashMap 中的键。
ValuesView：ValuesView 是 ConcurrentHashMap 的内部类，它实现了 Collection 接口，用于获取 ConcurrentHashMap 的值的视图。ValuesView 通过内部类方式实现，包含了一个 ConcurrentHashMap。当对 ValuesView 进行操作时，会影响到 ConcurrentHashMap 中的值。
EntrySetView：EntrySetView 是 ConcurrentHashMap 的内部类，它实现了 Set 接口，用于获取 ConcurrentHashMap 的键值对的视图。EntrySetView 通过内部类方式实现，包含了一个 ConcurrentHashMap。当对 EntrySetView 进行操作时，会影响到 ConcurrentHashMap 中的键值对。

重要操作

ConcurrentHashMap的重要操作包括：

put(key, value): 将指定的键值对添加到ConcurrentHashMap中。
get(key): 获取指定键的值。
remove(key): 删除指定键的值。
containsKey(key): 检查ConcurrentHashMap中是否包含指定的键。
containsValue(value): 检查ConcurrentHashMap中是否包含指定的值。
isEmpty(): 检查ConcurrentHashMap是否为空。
size(): 返回ConcurrentHashMap中的键值对数量。
keySet(): 返回ConcurrentHashMap中所有键的集合。
values(): 返回ConcurrentHashMap中所有值的集合。
entrySet(): 返回ConcurrentHashMap中所有键值对的集合。
putIfAbsent(key, value): 在ConcurrentHashMap中仅在指定的键不存在时才添加指定的键值对。
replace(key, oldValue, newValue): 替换ConcurrentHashMap中指定键的值，仅当当前值与旧值相等时才进行替换。
replace(key, value): 替换ConcurrentHashMap中指定键的值。
clear(): 清空ConcurrentHashMap中的所有键值对。

1.8 与 1.7的区别

在Java 1.7中，ConcurrentHashMap的内部实现使用了分段锁（Segment Locks）来实现并发操作。每个段（Segment）都可以看作是一个小的HashMap，它们仅控制特定区域的数据。这种设计可以降低并发操作之间的冲突，提高并发性能。

然而，在Java 1.8中，ConcurrentHashMap的内部实现变得更加简单和高效。在1.8中，ConcurrentHashMap使用了一种称为“基于CAS的非阻塞算法”的实现方式。这种实现方式不再使用分段锁，而是使用了一种称为“CAS（Compare and Swap）”的机制来实现并发操作。

CAS是一种乐观锁的机制，它允许多个线程同时进行自由读写操作。当线程尝试进行写操作时，CAS会先进行比较当前值和期望值是否相等，如果相等则进行更新操作，否则重新尝试。这种方式避免了锁的使用，减少了线程之间的竞争，从而提高了并发性能。

Java 1.8中的ConcurrentHashMap使用了一种基于CAS的非阻塞算法，相比于1.7中的分段锁机制，它的内部实现更加高效和简单。这使得1.8中的ConcurrentHashMap在并发操作下具有更好的性能表现。

实例

ConcurrentHashMap 是线程安全的哈希表实现，它支持高并发环境下的并发操作。下面是 ConcurrentHashMap 的代码示例：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 ConcurrentHashMap 对象
        ConcurrentHashMap<String, Integer> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();

        // 在多线程环境下向 ConcurrentHashMap 中添加元素
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            concurrentHashMap.put("A", 1);
            concurrentHashMap.put("B", 2);
            concurrentHashMap.put("C", 3);
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            concurrentHashMap.put("D", 4);
            concurrentHashMap.put("E", 5);
            concurrentHashMap.put("F", 6);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 输出 ConcurrentHashMap 的内容
        concurrentHashMap.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));
    }

}

上述示例中，首先创建了一个 ConcurrentHashMap 对象 concurrentHashMap。

然后通过两个线程同时向 concurrentHashMap 中添加元素。由于 ConcurrentHashMap 的线程安全性，不会出现并发冲突的情况。

最后，使用 forEach 方法遍历 ConcurrentHashMap 的内容，并打印出每个键值对。

ConcurrentHashMap 内部使用了分段锁机制，将整个哈希表分成多个小的哈希表，每个小的哈希表对应一个锁。这样，在多线程环境下，如果多个线程分别操作不同的小哈希表，就可以同时进行，提高了并发性能。

需要注意的是，虽然 ConcurrentHashMap 是线程安全的，但并不意味着它可以代替所有的同步容器。在一些特定的场景下，可能需要使用其他的同步容器或并发集合类来满足具体的需求。

总结

ConcurrentHashMap是Java中线程安全的哈希表实现。它与HashMap相比，能够在多线程环境下提供更好的性能和并发访问的能力。

以下是ConcurrentHashMap的一些特点和总结：

线程安全：ConcurrentHashMap使用了锁分段技术，将整个数据结构分成多个段（Segment），每个段都有自己的锁。这意味着多个线程可以同时访问不同的段，从而提高了并发性能。
并发度高：ConcurrentHashMap的并发度是通过扩展段（Segment）来实现的。默认情况下，ConcurrentHashMap的并发度是16，即有16个段。
put操作是原子性的：ConcurrentHashMap的put操作是原子性的，不需要额外的同步措施。这意味着多个线程可以同时进行put操作，而不会出现数据不一致的问题。
读操作不需要加锁：由于ConcurrentHashMap使用了锁分段技术，所以读操作不需要加锁。这使得ConcurrentHashMap在读多写少的场景下表现良好。
适用于高并发场景：ConcurrentHashMap适用于高并发场景，特别是读多写少的场景。它可以提供更好的性能和并发访问能力。