Map 接口

ConcurrentHashMap 的实现原理

JDK 1.7

JDK1.7中的ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成，即ConcurrentHashMap 把哈希桶切分成小数组（Segment ），每个小数组有 n 个 HashEntry 组成。

其中，Segment 继承了 ReentrantLock，所以 Segment 是一种可重入锁，扮演锁的角色；HashEntry 用于存储键值对数据。

首先将数据分为一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问，能够实现真正的并发访问。

Segment 是 ConcurrentHashMap 的一个内部类，主要的组成如下：

Segment 继承了 ReentrantLock，所以 Segment 是一种可重入锁，扮演锁的角色。Segment 默认为 16，也就是并发度为 16。

存放元素的 HashEntry，也是一个静态内部类，主要的组成如下：

其中，用 volatile 修饰了 HashEntry 的数据 value 和 下一个节点 next，保证了多线程环境下数据获取时的可见性！

JDK1.8

在数据结构上， JDK1.8 中的ConcurrentHashMap 选择了与 HashMap 相同的数组+链表+红黑树结构；在锁的实现上，抛弃了原有的 Segment 分段锁，采用CAS + synchronized实现更加低粒度的锁。

将锁的级别控制在了更细粒度的哈希桶元素级别，也就是说只需要锁住这个链表头结点（红黑树的根节点），就不会影响其他的哈希桶元素的读写，大大提高了并发度。

ConcurrentHashMap JDK1.8 中为什么使用内置锁 synchronized替换 可重入锁 ReentrantLock？

• 在 JDK1.6 中，对 synchronized 锁的实现引入了大量的优化，并且 synchronized 有多种锁状态，会从无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁一步步转换。

• 减少内存开销 。假设使用可重入锁来获得同步支持，那么每个节点都需要通过继承 AQS 来获得同步支持。但并不是每个节点都需要获得同步支持的，只有链表的头节点（红黑树的根节点）需要同步，这无疑带来了巨大内存浪费。

JDK 1.7 和 JDK 1.8 的 ConcurrentHashMap 实现有什么不同？

• 线程安全实现方式 ： JDK 1.7 采用 Segment 分段锁来保证安全， Segment 是继承自 ReentrantLock。JDK1.8 放弃了 Segment 分段锁的设计，采用 Node + CAS + synchronized 保证线程安全，锁粒度更细，synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点。

• Hash 碰撞解决方法 : JDK 1.7 采用拉链法，JDK1.8 采用拉链法结合红黑树（链表长度超过一定阈值时，将链表转换为红黑树）。

• 并发度 ： JDK 1.7 最大并发度是 Segment 的个数，默认是 16。JDK 1.8 最大并发度是 Node 数组的大小，并发度更大。

• 锁的粒度： 原来是对需要进行数据操作的Segment加锁，现调整为对每个数组元素加锁（Node）。

• 查询时间复杂度： 从原来的遍历链表O(n)，变成遍历红黑树O(logN)。

ConcurrentHashMap 的 put 方法执行逻辑是什么？

JDK1.7

先定位到相应的 Segment ，然后再进行 put 操作。

源代码如下：

首先会尝试获取锁，如果获取失败肯定就有其他线程存在竞争，则利用 scanAndLockForPut() 自旋获取锁。

1. 尝试自旋获取锁。
2. 如果重试的次数达到了 MAX_SCAN_RETRIES 则改为阻塞锁获取，保证能获取成功

大致可以分为以下步骤：

首先，会尝试获取锁，如果获取失败，利用自旋获取锁；如果自旋重试的次数超过 64 次，则改为阻塞获取锁。

获取到锁后：

1. 将当前 Segment 中的 table 通过 key 的 hashcode 定位到 HashEntry。
2. 遍历该 HashEntry，如果不为空则判断传入的 key 和当前遍历的 key 是否相等，相等则覆盖旧的 value。
3. 不为空则需要新建一个 HashEntry 并加入到 Segment 中，同时会先判断是否需要扩容。
4. 释放 Segment 的锁。

JDK1.8

大致可以分为以下步骤：

1. 根据 key 计算出 hash值。

2. 判断是否需要进行初始化。

3. 定位到 Node，拿到首节点 f，判断首节点 f：

   • 如果为 null ，则通过cas的方式尝试添加。
   • 如果为 f.hash = MOVED = -1 ，说明其他线程在扩容，参与一起扩容。
   • 如果都不满足 ，synchronized 锁住 f 节点，判断是链表还是红黑树，遍历插入。

4. 当在链表长度达到8的时候，数组扩容或者将链表转换为红黑树。

源代码如下：

ConcurrentHashMap 的 get 方法执行逻辑是什么？

JDK1.7

首先，根据 key 计算出 hash 值定位到具体的 Segment ，再根据 hash 值获取定位 HashEntry 对象，并对 HashEntry 对象进行链表遍历，找到对应元素。

由于 HashEntry 涉及到的共享变量都使用 volatile 修饰，volatile 可以保证内存可见性，所以每次获取时都是最新值。

源代码如下：

JDK1.8

致可以分为以下步骤：

1. 根据 key 计算出 hash 值，判断数组是否为空；

2. 如果是首节点，就直接返回；

3. 如果是红黑树结构，就从红黑树里面查询；

4. 如果是链表结构，循环遍历判断。

源代码如下：

ConcurrentHashMap 的 get 方法是否要加锁，为什么？

get 方法不需要加锁。因为 Node 的元素 val 和指针 next 是用 volatile 修饰的，在多线程环境下线程A修改结点的val或者新增节点的时候是对线程B可见的。

这也是它比其他并发集合比如 Hashtable、用 Collections.synchronizedMap()包装的 HashMap 安全效率高的原因之一。

static class Node implements Map.Entry {final int hash;final K key;//可以看到这些都用了volatile修饰volatile V val;volatile Node next;
}

get方法不需要加锁与volatile修饰的哈希桶有关吗？

没有关系。哈希桶table用volatile修饰主要是保证在数组扩容的时候保证可见性。

static final class Segment extends ReentrantLock implements Serializable {// 存放数据的桶transient volatile HashEntry[] table;

ConcurrentHashMap 不支持 key 或者 value 为 null 的原因？

我们先来说value 为什么不能为 null ，因为ConcurrentHashMap 是用于多线程的 ，如果map.get(key)得到了 null ，无法判断，是映射的value是 null ，还是没有找到对应的key而为 null ，这就有了二义性。

而用于单线程状态的HashMap却可以用containsKey(key) 去判断到底是否包含了这个 null 。

我们用反证法来推理：

假设ConcurrentHashMap 允许存放值为 null 的value，这时有A、B两个线程，线程A调用ConcurrentHashMap .get(key)方法，返回为 null ，我们不知道这个 null 是没有映射的 null ，还是存的值就是 null 。

假设此时，返回为 null 的真实情况是没有找到对应的key。那么，我们可以用ConcurrentHashMap .containsKey(key)来验证我们的假设是否成立，我们期望的结果是返回false。

但是在我们调用ConcurrentHashMap .get(key)方法之后，containsKey方法之前，线程B执行了ConcurrentHashMap .put(key, null )的操作。那么我们调用containsKey方法返回的就是true了，这就与我们的假设的真实情况不符合了，这就有了二义性。

ConcurrentHashMap 的并发度是多少？

在JDK1.7中，并发度默认是16，这个值可以在构造函数中设置。如果自己设置了并发度，ConcurrentHashMap 会使用大于等于该值的最小的2的幂指数作为实际并发度，也就是比如你设置的值是17，那么实际并发度是32。

ConcurrentHashMap 迭代器是强一致性还是弱一致性？

与HashMap迭代器是强一致性不同，ConcurrentHashMap 迭代器是弱一致性。

ConcurrentHashMap 的迭代器创建后，就会按照哈希表结构遍历每个元素，但在遍历过程中，内部元素可能会发生变化，如果变化发生在已遍历过的部分，迭代器就不会反映出来，而如果变化发生在未遍历过的部分，迭代器就会发现并反映出来，这就是弱一致性。

这样迭代器线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变，更重要的，这保证了多个线程并发执行的连续性和扩展性，是性能提升的关键。

JDK1.7与JDK1.8 中ConcurrentHashMap 的区别？

• 数据结构：取消了Segment分段锁的数据结构，取而代之的是数组+链表+红黑树的结构。

• 保证线程安全机制：JDK1.7采用Segment的分段锁机制实现线程安全，其中segment继承自ReentrantLock。JDK1.8 采用CAS+Synchronized保证线程安全。

• 锁的粒度：原来是对需要进行数据操作的Segment加锁，现调整为对每个数组元素加锁（Node）。

• 链表转化为红黑树:定位结点的hash算法简化会带来弊端,Hash冲突加剧,因此在链表节点数量大于8时，会将链表转化为红黑树进行存储。

• 查询时间复杂度：从原来的遍历链表O(n)，变成遍历红黑树O(logN)。

ConcurrentHashMap 和Hashtable的效率哪个更高？为什么？

ConcurrentHashMap 的效率要高于Hashtable，因为Hashtable给整个哈希表加了一把大锁从而实现线程安全。而ConcurrentHashMap 的锁粒度更低，在JDK1.7中采用分段锁实现线程安全，在JDK1.8 中采用CAS+Synchronized实现线程安全。

说一下Hashtable的锁机制 ?

Hashtable是使用Synchronized来实现线程安全的，给整个哈希表加了一把大锁，多线程访问时候，只要有一个线程访问或操作该对象，那其他线程只能阻塞等待需要的锁被释放，在竞争激烈的多线程场景中性能就会非常差！

多线程下安全的操作 map还有其他方法吗？

还可以使用Collections.synchronizedMap方法，对方法进行加同步锁。

private static class SynchronizedMapimplements Map, Serializable {private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;private final Map m;     // Backing Mapfinal Object      mutex;        // Object on which to synchronizeSynchronizedMap(Map m) {this.m = Objects.requireNon null (m);mutex = this;}SynchronizedMap(Map m, Object mutex) {this.m = m;this.mutex = mutex;}// 省略部分代码}

如果传入的是 HashMap 对象，其实也是对 HashMap 做的方法做了一层包装，里面使用对象锁来保证多线程场景下，线程安全，本质也是对 HashMap 进行全表锁。在竞争激烈的多线程环境下性能依然也非常差，不推荐使用！