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。

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

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。

优缺点

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：

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：

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。

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。

ConcurrentHashMap的优势总结

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！