Java中的ConcurrentHashMap集合

梦里梦外; 2023-10-13 11:14 75阅读 0赞

ConcurrentHashMap其采用分段锁设计，将一个大的线程安全的HashTable集合拆分成n多个小的HashTable集合，默认初始化16个小的HashTable集合。锁竞争概率非常小（即线程阻塞概率非常小）

JDK1.7的index需要计算两次。

> ConcurrentHashMap是Java提供的线程安全的哈希表，它在多线程环境下提供高效的并发操作。它的底层实现原理是基于分段锁（Segment）和CAS（Compare and Swap）操作。
> 
> 1. 分段锁（Segment）：ConcurrentHashMap将整个存储空间分为多个Segment，每个Segment维护着一个子哈希表。每个Segment都拥有自己的锁，不同的线程可以独立地操作不同的Segment，从而实现了并发操作。每个Segment只锁定当前操作的部分，而不必锁定整个数据结构。
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> 2. 哈希桶（Hash Bucket）：每个Segment内部维护着一个哈希桶数组，用于存储键值对。每个哈希桶是一个链表或红黑树结构，用于解决哈希冲突。当链表长度超过阈值（默认为8）时，链表会转换为红黑树，提高查找和删除的效率。
> 
> 3. CAS操作：ConcurrentHashMap使用CAS操作（无锁操作）来保证线程安全性。CAS是一种乐观锁的机制，它比传统的锁机制有更低的开销。CAS操作通过比较当前值和期望值是否相等来决定是否更新值，如果相等，则更新成功；如果不相等，则尝试重新读取和更新。CAS操作是原子的，当多个线程同时访问同一个Segment时，可以通过CAS来确保并发的安全性。
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> 4. 扩容机制：ConcurrentHashMap在插入过程中会检查当前Segment的容量是否超过了阈值（默认为0.75）。如果超过了阈值，则会触发扩容操作。此时，会对整个ConcurrentHashMap进行扩容，并重新计算哈希值分布。实现过程中，只需要对每个Segment进行扩容操作，而不需要停止其他线程的访问。
> 
> 通过分段锁和CAS操作的结合，ConcurrentHashMap实现了高效的并发操作。多个线程可以同时对不同的Segment进行访问，提高了并发性能。与HashTable相比，ConcurrentHashMap在并发性能、扩展性和灵活性方面有了显著的提升。

## 问题一：HashMap与HashTable的区别？ ##

HashMap和HashTable都是常见的哈希表数据结构，用于在键值对之间建立映射关系。它们的区别如下：

1. 线程安全性：HashTable是线程安全的，而HashMap不是。HashTable的方法是同步的，可以在多线程环境下使用，但性能较差。HashMap则不提供线程安全的保证，可以在单线程环境下使用，性能较好。

2. NULL键和NULL值：HashMap允许使用null作为键和值，而HashTable不允许。如果尝试在HashTable中插入null键或值，将会抛出NullPointerException。

3. 继承关系：HashMap是AbstractMap类的子类，而HashTable是Dictionary类的子类。Dictionary是Java早期提供的一个已经被废弃的类。

4. 迭代器：HashMap的迭代器是fail-fast的，即在迭代过程中如果其他线程修改了HashMap的结构（增加、删除元素），将会抛出ConcurrentModificationException。HashTable不支持fail-fast机制。

5. 初始容量和扩容机制：HashMap初始容量默认为16，扩容时容量会自动翻倍。HashTable初始容量默认为11，扩容时容量会增加大约一倍加一，并重新计算哈希值分布。

综上所述，HashMap在性能、灵活性、扩展性方面优于HashTable，因此在单线程环境下推荐使用HashMap。如果需要在多线程环境下使用，可以考虑使用ConcurrentHashMap来替代HashTable。

## 问题二：HashTable的缺陷？ ##

虽然HashTable在一些特定的场景中具有一些优势，但它也存在一些明显的缺陷：

1. 线程安全性开销：HashTable在实现上使用了synchronized关键字来保证线程安全性。这意味着在多线程环境下，对于非常频繁的读写操作，需要进行加锁和解锁操作，会导致性能下降。相对而言，其他线程安全的集合类（如ConcurrentHashMap）提供了更好的性能。

2. 低效的迭代器：HashTable的迭代器是通过Enumeration实现的，而不是Iterator。Enumeration的功能比较受限，只能进行遍历，不支持移除操作。同时，HashTable的迭代器不支持fail-fast机制，当在迭代过程中其他线程修改了HashTable的结构，可能会导致遍历失败或遍历到不一致的元素。

3. 存在数据冲突：HashTable使用内部哈希函数来将键映射为哈希值，然后通过哈希值将数据分散存储在不同的槽中。然而，由于哈希函数的限制，不同的键可能会产生相同的哈希值，这就是哈希冲突。HashTable使用开放地址法来解决冲突，但可能导致性能下降和数据分布不均匀。

4. 不支持null键和null值：HashTable不允许使用null作为键或值，如果尝试插入null键或值，会抛出NullPointerException。这在某些情况下可能会限制程序的灵活性和简洁性。

由于上述缺陷，Java推荐使用并发安全的HashMap的替代方案，如ConcurrentHashMap来满足多线程环境下的需求。

## 三：手写出ConcurrentHashMap ##

package lzx6;
    
    import java.util.Hashtable;
    
    public class MyConCurrentHashMap<K,V> {
        private Hashtable<K,V>[] hashtables;
    
        public MyConCurrentHashMap(){
            hashtables = new Hashtable[16];
            for (int i = 0; i < hashtables.length; i++) {
                hashtables[i] = new Hashtable<>();
            }
        }
    
        public void put(K k,V v){
            int hashTableIndex = k.hashCode()%hashtables.length;
            hashtables[hashTableIndex].put(k,v);
        }
    
        public V get(K k){
            int hashTableIndex = k.hashCode()%hashtables.length;
            return hashtables[hashTableIndex].get(k);
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            MyConCurrentHashMap<String, String> myConCurrentHashMap = new MyConCurrentHashMap<>();
            myConCurrentHashMap.put("lzx","yy");
            myConCurrentHashMap.put("我爱你呀","yy");
            System.out.println(myConCurrentHashMap.get("我爱你呀"));
        }
    }

运行结果：

![93a179e555ef4e5cbd9eddd8bf3bba73.png][]

[93a179e555ef4e5cbd9eddd8bf3bba73.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/93a179e555ef4e5cbd9eddd8bf3bba73.png