引言
大家好，我是小米！今天我们来聊聊Java中一个超级实用的线程安全集合类——ConcurrentHashMap。对于多线程环境中需要频繁读写数据的场景来说，ConcurrentHashMap无疑是个好帮手。那么，为什么ConcurrentHashMap效率高？底层实现的奥秘又是什么？接下来，让我们一探究竟。
图片
ConcurrentHashMap与Hashtable的对比
在多线程环境中，我们常常需要保证数据的线程安全性。说到实现线程安全，ConcurrentHashMap和Hashtable都是不错的选择，但二者的性能表现却有很大差异。
Hashtable：同步锁的性能瓶颈
Hashtable作为Java早期的线程安全类，主要通过Synchronized关键字进行方法级别的同步来保证线程安全。比如，在执行put或get操作时，Hashtable会锁住整个对象，导致同一时间只能有一个线程访问或修改数据。这样虽然保证了安全性，但性能相对低下。
ConcurrentHashMap：分段锁的高效设计
ConcurrentHashMap的核心思想是分段锁，这使得它在性能上要远优于Hashtable。简单来说，ConcurrentHashMap将数据划分成多个段（Segment），每个Segment对应一个锁。不同线程访问不同Segment的数据时，可以同时进行而不互相阻塞，从而提高了并发性能。
Java的两个主要版本（1.7和1.8）对ConcurrentHashMap的底层结构有很大的差别，我们一起来看看它们的演变过程。
JDK 1.7：Segment分段锁
在JDK 1.7中，ConcurrentHashMap使用了分段锁（Segment）的设计。通过这一设计，ConcurrentHashMap达到了提高并发访问率的效果。
底层结构：Segment数组 + HashEntry链表
ConcurrentHashMap在底层将数据分为多个Segment，每个Segment内部由链表存储数据。这样一来，ConcurrentHashMap将整个Map分成了若干个小的子Map，每个Segment相当于一个小的Hashtable，持有一个独立的锁。因此，多个线程访问不同Segment的元素时不会相互影响，从而提高了并发性能。
如何实现分段锁？
ConcurrentHashMap中会对每一个键值对进行哈希计算，以确定它属于哪个Segment。每个Segment锁住一个区域的数据，这样每次只锁定一个Segment，即使一个Segment被锁定，其他Segment也可以同时被访问，这就避免了整个Map锁住的低效情况。
优缺点
- 优点：提高了并发性能，多个线程可以同时操作不同的Segment。
- 缺点：Segment数量（默认16个）固定后，无法动态扩容。即使并发再高，也无法突破这个限制。
JDK 1.8：无Segment，链表+红黑树+CAS
JDK 1.8中，ConcurrentHashMap的底层结构和实现方式发生了重大变化，Segment不再存在，取而代之的是更为精简的实现方式。JDK 1.8摒弃了Segment锁机制，而是采用了数组+链表+红黑树的组合数据结构。
数据结构：Node数组 + 链表/红黑树
JDK 1.8的ConcurrentHashMap与1.8版本的HashMap非常相似，底层通过一个Node数组来存储数据。如果某个桶中有大量hash冲突的数据，会先形成链表；当链表长度超过一定阈值（8）后，会转化成红黑树结构，从而提高查询效率。
并发控制：CAS + synchronized
ConcurrentHashMap 1.8 的线程安全主要通过CAS（Compare And Swap）和synchronized关键字来实现，而不是之前的锁住整个Segment。这样在进行增删改查时，只需要锁住当前操作的链表头部节点即可，大大降低了锁的粒度，进一步提升了并发效率。
- CAS机制：CAS在检测到变量未被其他线程修改时，直接更新变量的值。相比传统的锁机制，CAS可以在无锁的情况下完成并发更新，大大提高了效率。
- synchronized：当CAS无法保证安全性时，才会退而采用synchronized进行保护。JDK 1.8通过这种灵活的设计，进一步提升了并发性能。
优缺点
- 优点：性能较JDK 1.7更优，不再依赖Segment；锁的粒度进一步缩小。
- 缺点：实现较复杂，对内存占用和系统资源提出了更高的要求。
ConcurrentHashMap的核心机制剖析
1. get操作
get操作在ConcurrentHashMap中是无锁的，主要通过定位到具体的Node节点来直接获取数据。
流程：
- 首先通过hash值确定数据的位置。
- 若找到的桶是链表，则遍历链表寻找对应的节点。
- 若桶内为红黑树，则使用树的查找逻辑获取目标节点。
2. put操作
在执行put时，ConcurrentHashMap会尝试使用CAS来添加元素。如果当前节点位置为空，CAS更新会成功；否则，系统会退而使用synchronized锁住节点进行更新操作。
流程：
- 计算key的hash值，定位到具体的桶。
- 若该位置为空，则使用CAS将新值插入。
- 若该位置已存在数据：
若为链表，遍历链表并添加至末尾；链表长度超过8则转化为红黑树。
若为红黑树，则按照红黑树的插入规则进行更新。
- 如果容量超过阈值，则触发扩容。
3. 扩容机制
与HashMap类似，ConcurrentHashMap在容量不足时会进行扩容。不同的是，ConcurrentHashMap的扩容操作是分段进行的。
- 分段扩容：在扩容过程中，多个线程可以协作进行桶数据迁移，而不是一个线程独自完成扩容，从而减少了线程阻塞。
ConcurrentHashMap的优势总结
- 高并发性能：JDK 1.8后的ConcurrentHashMap通过CAS操作和synchronized，避免了全面锁的低效问题，锁的粒度更小，提高了整体并发性。
- 高效数据结构：引入红黑树，提升了查询效率，使得冲突严重的情况下，依然能保持较高的访问效率。
- 分段扩容：扩容过程可由多个线程协作进行，进一步提升了多线程环境下的性能表现。
END
ConcurrentHashMap作为Java中一个重要的并发集合类，凭借其分段锁和CAS机制，在保证线程安全的同时，大大提升了性能。JDK 1.7中通过Segment的分段锁来降低锁竞争，而JDK 1.8中则进一步改进为无锁化操作和红黑树的结构，大幅度提升了性能和并发性。
在实际开发中，如果你需要一个线程安全、高并发的Map集合，ConcurrentHashMap绝对是一个值得信赖的选择！希望今天的分享能够帮助大家更好地理解ConcurrentHashMap的底层设计及其优点，咱们下次再一起探讨更多Java黑科技！
