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Java 并发集合：ConcurrentHashMap 深入解析

article 2025/3/21 5:02:20

Java 并发集合：ConcurrentHashMap 深入解析

1. 概述

ConcurrentHashMap 是 Java 并发包（java.util.concurrent）中的线程安全 Map 实现，支持高效的并发读写操作，适用于高并发环境。

在 Java 7 和 Java 8 版本中，ConcurrentHashMap 采用了不同的底层实现方式，Java 7 采用分段锁（Segment），而 Java 8 进行了优化，使用 CAS（Compare-And-Swap）+ synchronized + Node 结构。

2. 底层数据结构

Java 7 中的 ConcurrentHashMap（Segment 分段锁机制）

采用 Segment + HashEntry 结构。
Segment 继承 ReentrantLock，每个 Segment 维护多个 HashEntry。
通过分段锁机制提高并发性，每个 Segment 维护独立的 HashEntry。
读操作无锁，写操作使用 Segment 级别的锁。

Java 7 中 ConcurrentHashMap 的存储结构如上图，ConcurrnetHashMap 由很多个 Segment 组合，而每一个 Segment 是一个类似于 HashMap 的结构，所以每一个 HashMap 的内部可以进行扩容。但是 Segment 的个数一旦初始化就不能改变，默认 Segment 的个数是 16 个，你也可以认为 ConcurrentHashMap 默认支持最多 16 个线程并发。

Java 8 中的 ConcurrentHashMap（CAS + synchronized 机制）

取消了 Segment，采用 数组 + 链表 + 红黑树 结构。
使用 Node<K, V>[] table 作为基础数据结构，链表冲突超过阈值时转换为红黑树。
采用 CAS + synchronized 保证线程安全，提高了性能。

Java8 的 ConcurrentHashMap 相对于 Java7 来说变化比较大，不再是之前的 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表，而是 Node 数组 + 链表 / 红黑树。当冲突链表达到一定长度时，链表会转换成红黑树。

3. 实现原理

1. 读操作（get 方法）

读取 table[i] 位置的 Node，如果 key 存在，直接返回。
在无竞争的情况下，读操作完全无锁。

2. 写操作（put 方法）

使用 CAS 操作插入数据，避免不必要的锁开销。
若 CAS 失败，使用 synchronized 进行加锁。
在 Node 链表长度超过 8 时，转换为 红黑树 提高查询效率。

3. 扩容机制（rehash 过程）

采用 渐进式扩容，避免 HashMap 扩容时的阻塞问题。
扩容时，采用 转移任务拆分 的方式，由多个线程共同完成。

4. 应用场景

ConcurrentHashMap 适用于高并发场景，如：

线程安全的缓存组件。
统计业务（如用户请求次数统计）。
配置存储（如存储系统配置，避免使用 Hashtable）。

5. 优缺点

优点

✅ 线程安全，支持高并发读写。
✅ 读操作无锁，提高性能。
✅ 写操作部分 CAS 无锁，提高吞吐量。
✅ 采用红黑树优化链表查询效率。

缺点

❌ 不能保证严格的顺序（如 TreeMap）。
❌ 不能存储 null key 或 null value。
❌ 扩容仍然是一个性能瓶颈（尽管已优化）。

6. 替代方案

Collections.synchronizedMap(new HashMap<>())：简单的同步 Map，性能较低。
ConcurrentSkipListMap：支持有序的 Map，适用于排序需求场景。
ReadWriteLock + HashMap：适用于读多写少的场景。

7. 使用示例

import java.util.concurrent.*;

public class ConcurrentHashMapExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

        // 插入元素
        map.put("apple", 10);
        map.put("banana", 20);

        // 并发读取
        System.out.println("Apple count: " + map.get("apple"));

        // 并发修改
        map.compute("apple", (key, value) -> (value == null) ? 1 : value + 1);
        System.out.println("Updated apple count: " + map.get("apple"));
    }
}

8. 总结

Java 8 的 ConcurrentHashMap 采用 CAS + synchronized + 红黑树 提升性能。
适用于高并发读写场景，如缓存、计数、共享数据存储。
相比 Hashtable 和 synchronizedMap，具有更高的吞吐量和并发能力。
需要避免 null 作为键值对，扩容仍需关注性能消耗。

Java7 中 ConcurrentHashMap 使用的分段锁，也就是每一个 Segment 上同时只有一个线程可以操作，每一个 Segment 都是一个类似 HashMap 数组的结构，它可以扩容，它的冲突会转化为链表。但是 Segment 的个数一但初始化就不能改变。

Java8 中的 ConcurrentHashMap 使用的 Synchronized 锁加 CAS 的机制。结构也由 Java7 中的 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表进化成了 Node 数组 + 链表 / 红黑树，Node 是类似于一个 HashEntry 的结构。它的冲突再达到一定大小时会转化成红黑树，在冲突小于一定数量时又退回链表。

有些同学可能对 Synchronized 的性能存在疑问，其实 Synchronized 锁自从引入锁升级策略后，性能不再是问题，有兴趣的同学可以自己了解下 Synchronized 的锁升级。

在多线程环境下，建议优先选择 ConcurrentHashMap 来替代 HashMap 或 Hashtable，以提高性能和并发安全性。

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