ConcurrentHashMap 是 Java 中用于实现线程安全的哈希表的数据结构。它位于 java.util.concurrent 包中，专门设计用于支持高并发的环境。与传统的 HashMap 和 Hashtable 相比，ConcurrentHashMap 提供了更高效的并发操作，特别是在多线程环境下，它能避免传统同步方法的性能瓶颈。
1. 基本概念
ConcurrentHashMap 在多线程环境中提供高效的线程安全机制，特别适合需要频繁读取和更新操作的场景。它通过细粒度的锁和分段锁机制，确保在高并发情况下不会出现性能瓶颈。
主要特点
- 分段锁机制：将哈希表分成多个段，每个段有一个独立的锁。多个线程可以并发地访问不同段的数据，从而减少了全表加锁的瓶颈。
- 非阻塞读取：
get()方法不需要加锁，读取操作是非阻塞的，即使其他线程修改数据，读取线程也不会被阻塞。 - 支持高并发更新：通过细粒度锁和乐观锁机制，使得并发写操作不会导致性能显著下降。
- 线程安全的迭代器：
ConcurrentHashMap提供的迭代器是弱一致性的，允许在迭代时进行并发修改操作。
2. 版本演进：JDK 7 与 JDK 8 的区别
2.1 JDK 7 中的 ConcurrentHashMap
在 JDK 7 中，ConcurrentHashMap 使用了 Segment 数组来实现分段锁。每个段内部是一个独立的哈希表，每个段有一个独立的锁。当进行读写操作时，线程只会锁住涉及的段，而不会锁住整个哈希表。
结构
- Segment 数组：
ConcurrentHashMap被划分为多个Segment，每个Segment本质上是一个HashMap，独立使用锁。 - 桶（Bucket）：每个段内的桶存储键值对。为了支持高效查找和并发，通常会采用链表或红黑树。
锁机制
- 每个
Segment拥有一个锁，这使得在多线程环境下不同段可以并行处理。 - 当操作一个键值对时，
ConcurrentHashMap只会锁定相关的段，而不是整个哈希表。这样避免了传统Hashtable的全表锁。
2.2 JDK 8 中的 ConcurrentHashMap
JDK 8 对 ConcurrentHashMap 进行了显著的优化，移除了 Segment 数组，并且在实现上做了很多改进，使得整体结构更加简洁和高效。
结构
- 无 Segment 数组：在 JDK 8 之后，
ConcurrentHashMap不再使用Segment数组，而是将所有数据存储在一个主哈希表中。 - 红黑树优化：当链表长度超过 8 时，
ConcurrentHashMap会将链表转化为红黑树，以提高查找效率。 - CAS（Compare-And-Swap）操作：JDK 8 引入了 CAS 操作，使得写操作更加高效且原子化。通过
CAS，并发操作可以通过无锁机制进行。
锁机制
- 分段锁：虽然
Segment数组被移除，但ConcurrentHashMap依然采用了分段锁机制。具体来说，ConcurrentHashMap会根据哈希值分配桶（Bucket），并为每个桶加锁，而不是锁住整个哈希表。 - 无全表锁：不同于
Hashtable，JDK 8 中的ConcurrentHashMap不会全表加锁。并发的读操作依旧是无阻塞的。
3. ConcurrentHashMap 主要方法
3.1 put(K key, V value)
- 将指定的键值对放入
ConcurrentHashMap中。如果键已存在，替换其值。 - 写操作会锁定桶所在的段，但不会影响其他段的数据。
3.2 get(Object key)
- 获取指定键对应的值。该操作是线程安全且非阻塞的，即使其他线程正在修改数据，读取操作也不会被阻塞。
3.3 remove(Object key)
- 移除指定键的键值对。该操作通过加锁保证线程安全，但仅锁定目标桶，不会影响其他桶的数据。
3.4 replace(K key, V oldValue, V newValue)
- 只有当当前值与指定的
oldValue相等时，才会用newValue替换它。这个操作是原子性的，确保线程安全。
3.5 compute(K key, BiFunction<? super K,? super V,? extends V> remappingFunction)
- 基于当前值和提供的
remappingFunction，重新计算并更新指定键对应的值。如果该键不存在，compute会插入新值。
4. 与 HashMap 和 Hashtable 的比较
4.1 ConcurrentHashMap vs HashMap
| 特性 | HashMap |
ConcurrentHashMap |
|---|---|---|
| 线程安全性 | 非线程安全 | 线程安全 |
| 锁机制 | 不支持并发操作，单线程加锁 | 支持高并发，分段锁 |
get() 操作 |
非线程安全 | 线程安全，非阻塞 |
put() 操作 |
非线程安全 | 细粒度锁，仅锁定需要操作的段 |
| 性能 | 在单线程环境下高效 | 在并发环境下性能优异 |
4.2 ConcurrentHashMap vs Hashtable
| 特性 | Hashtable |
ConcurrentHashMap |
|---|---|---|
| 线程安全性 | 线程安全 | 线程安全 |
| 锁机制 | 整个表加锁 | 细粒度锁，分段锁机制 |
get() 操作 |
阻塞操作 | 非阻塞操作 |
put() 操作 |
整表锁定 | 细粒度锁 |
| 性能 | 性能差，锁粒度大 | 性能优越，支持高并发 |
5. ConcurrentHashMap 的优点与局限
5.1 优点
- 高并发性：通过分段锁和细粒度锁机制，在并发环境下能够高效地处理读取和写入操作。
- 线程安全：
ConcurrentHashMap设计为线程安全，多个线程可以同时执行get()、put()等操作而不需要担心数据一致性问题。 - 无阻塞读取：对于
get()操作，ConcurrentHashMap是非阻塞的，不会因为写操作而影响读取性能。 - 红黑树优化：在 JDK 8 中，对于链表过长的桶会使用红黑树来优化查找性能，避免了链表查找的 O(n) 时间复杂度。
5.2 局限
- 写操作性能受限：尽管
ConcurrentHashMap提供了很好的并发读取性能，但在大量写操作时，仍然会受到锁的影响，特别是涉及到锁竞争时。 - 顺序问题：
ConcurrentHashMap不保证键值对的遍历顺序。如果需要顺序遍历，可以考虑使用LinkedHashMap。
6. 总结
ConcurrentHashMap 是一种专门用于多线程并发访问的哈希表实现。它通过细粒度锁机制，极大地提高了并发读写操作的效率，适用于需要高并发处理的场景。随着 JDK 版本的演进，ConcurrentHashMap 在设计上不断优化，特别是在 JDK 8 中，引入了更高效的锁机制和红黑树优化，使得其在并发环境下更加高效和可靠。