ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是 Java 中用于在多线程环境下高效存储和操作键值对的哈希表实现，下面从基本概念、底层数据结构、线程安全机制、关键方法、性能特点以及使用场景几个方面详细介绍：

基本概念

ConcurrentHashMap 是 java.util.concurrent 包下的一个类，它继承自 AbstractMap 类并实现了 ConcurrentMap 接口。与 HashMap 不同，ConcurrentHashMap 是线程安全的，在多线程环境下可以高效地进行并发操作，避免了 HashMap 在多线程环境下可能出现的数据不一致和线程安全问题。

底层数据结构

JDK 1.7

• 分段锁机制：ConcurrentHashMap 使用分段锁（Segment）来实现线程安全。整个哈希表被分成多个 Segment，每个 Segment 类似于一个小的 HashMap，它继承自 ReentrantLock，可以独立加锁。不同的 Segment 可以被不同的线程同时访问，从而提高并发性能。
• 数据结构：每个 Segment 内部包含一个哈希表，由数组和链表组成。

JDK 1.8

• CAS + synchronized：摒弃了分段锁机制，采用 CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）和 synchronized 来保证线程安全。
• 数据结构：底层数据结构是数组 + 链表 + 红黑树。当链表长度超过 8 且数组长度大于 64 时，链表会转换为红黑树，以提高查找效率。

线程安全机制

JDK 1.7

• 每个 Segment 都有自己独立的锁，不同的 Segment 可以并行操作。当一个线程访问某个 Segment 时，会对该 Segment 加锁，其他线程可以同时访问其他 Segment，从而提高并发度。

JDK 1.8

• CAS 操作：在插入元素时，首先会使用 CAS 操作尝试更新数组中的节点，如果 CAS 操作成功，则插入成功；如果失败，则说明有其他线程在同时操作，会进入下一步处理。
• synchronized 锁：当发生哈希冲突时，会使用 synchronized 对链表或红黑树的头节点加锁，保证同一时刻只有一个线程可以对该链表或红黑树进行操作。

关键方法

put(K key, V value)

• 作用：将指定的键值对插入到 ConcurrentHashMap 中。
• 实现：在 JDK 1.8 中，首先计算键的哈希值，找到对应的桶位置。如果桶为空，使用 CAS 操作将新节点插入；如果桶不为空，对桶的头节点加锁，遍历链表或红黑树，若键已存在则更新值，否则插入新节点。

get(Object key)

• 作用：根据指定的键获取对应的值。
• 实现：计算键的哈希值，找到对应的桶位置，然后遍历链表或红黑树查找键对应的值。由于 get 操作不需要加锁，所以性能较高。

size()

• 作用：返回 ConcurrentHashMap 中键值对的数量。
• 实现：在 JDK 1.8 中，size 方法会先尝试使用无锁的方式统计元素数量，如果失败则会加锁统计。

性能特点

• 高并发性能：由于采用了分段锁（JDK 1.7）或 CAS + synchronized（JDK 1.8）的机制，ConcurrentHashMap 可以支持多个线程同时进行读写操作，并发性能较高。
• 空间开销：相比于 HashMap，ConcurrentHashMap 为了保证线程安全，会有一定的空间开销，例如分段锁（JDK 1.7）和额外的 CAS 操作。

使用场景

• 多线程环境下的缓存：在多线程环境中，如果需要使用缓存来存储数据，ConcurrentHashMap 是一个不错的选择，它可以保证线程安全，同时具有较高的并发性能。
• 共享数据存储：当多个线程需要共享一个哈希表时，使用 ConcurrentHashMap 可以避免数据不一致和线程安全问题。

示例代码

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConcurrentHashMapExample {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();// 插入键值对map.put("apple", 1);map.put("banana", 2);map.put("cherry", 3);// 获取值Integer value = map.get("banana");System.out.println("Value of banana: " + value);// 遍历键值对for (ConcurrentHashMap.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());}// 删除键值对map.remove("cherry");System.out.println("After removing cherry, size: " + map.size());}
}

通过上述代码可以看到，ConcurrentHashMap 的使用方式与 HashMap 类似，但它在多线程环境下可以保证线程安全。