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一、ConcurrentHashMap 概述

• 作用：在多线程环境下，提供高效、线程安全的键值对存储。
• 特点：
  • 支持高并发读写
  • 不允许 null 键和 null 值
  • 元素无序

二、ConcurrentHashMap 的底层结构（JDK8）

1. 分段锁思想

• JDK7 及之前：采用分段锁（Segment 数组，每个 Segment 维护一部分数据，锁粒度较粗）。
• JDK8 及以后：取消 Segment，直接用 Node 数组（类似 HashMap），采用CAS + synchronized细粒度锁，每个桶（Node）独立加锁。

2. 数据结构

• 主体结构是Node<K,V>[] table，每个 Node 存储 key、value、hash、next。
• 桶内冲突用链表或红黑树（与 HashMap 类似）。
• 扩容时采用转移数组（forwardingNode）标记，保证并发安全。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; final K key; volatile V val; volatile Node<K,V> next; }

三、核心原理

1. put 操作

• 先通过 CAS 尝试插入，如果失败再用 synchronized 锁定当前桶。
• 只锁定单个桶（链表/树头节点），不会影响其他桶的并发操作。
• 插入或更新时，保证可见性与原子性。

2. get 操作

• 只读操作，无需加锁，直接遍历链表/树即可（Node 的 value/next 都是 volatile）。

3. 扩容机制

• 多线程可以协同完成扩容（transfer），每个线程负责部分桶的迁移。
• 扩容期间，桶会被标记为 forwardingNode，防止并发冲突。

四、常用方法

• put(K key, V value)：插入/更新键值对
• get(Object key)：查询值
• remove(Object key)：删除键
• size()：计算元素个数（JDK8 是近似值，需遍历所有桶）
• containsKey(Object key)：判断是否包含键
• forEach()、compute()、merge()等并发安全的批量操作

五、性能分析

• 高并发读写：分桶锁定，读操作无锁，写操作只锁定单一桶，极大提升并发性能。
• 扩容高效：多线程协同迁移，减少阻塞。
• 空间利用率高：与 HashMap 类似，支持链表/红黑树结构。

六、线程安全性与细节

• 采用 CAS（Compare-And-Swap）和 synchronized 双重保证线程安全。
• value/next 等字段用 volatile 修饰，保证可见性。
• 所有操作都不会抛出 ConcurrentModificationException。

七、与 HashMap/Hashtable 对比

八、典型应用场景

• 多线程环境下的缓存
• 并发统计、分布式数据收集
• Web 服务的会话管理
• 线程安全的配置映射

九、示例代码

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>(); map.put("apple", 1); map.put("banana", 2); System.out.println(map.get("banana")); // 输出 2 map.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ":" + v));

十、面试常问问题

1. ConcurrentHashMap 的底层结构和锁机制？
2. 为什么不允许 null 键和 null 值？
3. JDK8 之前和之后的实现有何区别？
4. 如何保证高并发安全？
5. 与 HashMap、Hashtable 的区别？

十一、JDK7 与 JDK8 的实现差异

1. JDK7（Segment 分段锁）

• 结构：ConcurrentHashMap 由一个 Segment 数组组成，每个 Segment 本质上类似一个小型的 HashMap。
• 锁机制：每个 Segment 有自己的 ReentrantLock，线程操作时只锁定一个 Segment，提高并发度，但 Segment 数量有限（默认16），并发度受限。
• 扩容：每个 Segment 独立扩容，互不影响。

2. JDK8（桶级锁 + CAS）

• 结构：取消 Segment，直接用 Node 数组，和 HashMap 类似。
• 锁机制：插入时先用 CAS 操作，无需锁；CAS失败时只锁定单个桶（链表/树头节点），进一步细化锁粒度。
• 扩容：多线程协同扩容，每个线程负责部分桶迁移，提升效率。

十二、CAS（Compare-And-Swap）机制

• CAS是一种无锁并发技术，底层依赖 CPU 指令，保证原子性。
• 在 ConcurrentHashMap 中，插入新节点时首先尝试 CAS，如果成功则无需加锁，失败再回退到 synchronized。
• CAS 主要用于 table 初始化、节点插入等场景。

CAS 示例（JDK8 put 源码片段）

if (tabAt(tab, i) == null) { if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) break; // 插入成功，无需加锁 }

十三、扩容细节与协作机制

• 扩容触发：元素数量超过阈值（容量 × 负载因子）时，触发扩容。
• 协作迁移：多个线程可以同时迁移不同的桶，迁移过程中，桶会被特殊节点（ForwardingNode）标记，防止并发冲突。
• 迁移过程：每个线程分配一个迁移区间，迁移完成后，旧桶被标记，后续访问自动跳转到新表。

扩容协作示意图

线程A迁移桶0-3，线程B迁移桶4-7 每个桶迁移完毕后标记为 ForwardingNode 访问老表时遇到 ForwardingNode会跳转新表

十四、批量操作与并行计算

ConcurrentHashMap 提供了许多并发安全的批量操作方法（JDK8）：

• forEach(long parallelismThreshold, BiConsumer<? super K,? super V> action)
• search(long parallelismThreshold, BiFunction<? super K,? super V,? extends U> searchFunction)
• reduce(long parallelismThreshold, BiFunction<? super K,? super V,? extends U> transformer, BiFunction<? super U,? super U,? extends U> reducer)

这些方法可以根据 CPU 核数自动并行分片处理，提高大数据量下的处理效率。

十五、常见面试陷阱与注意事项

1. ConcurrentHashMap 为什么不允许 null 键和 null 值？
   • 因为 null 作为返回值无法区分“键不存在”还是“值就是 null”，容易产生歧义。
2. size() 方法的准确性？
   • JDK8 的 size() 方法是近似值，因为可能有并发修改。需要遍历所有桶，性能较低，不建议在高并发场景频繁调用。
3. ConcurrentModificationException 会抛吗？
   • 不会。ConcurrentHashMap 的迭代器是弱一致性（weakly consistent），可以在遍历过程中安全并发修改。
4. 如何选择并发 Map？
   • 低并发场景用 HashMap，高并发用 ConcurrentHashMap，极高并发且需分片锁可自定义分段 Map。

十六、与其他集合的并发安全对比

十七、使用建议

1. 多线程环境首选 ConcurrentHashMap，避免 HashMap 线程安全问题。
2. 避免用 size() 统计大数据量，如需精确计数可用 LongAdder 等方案。
3. 批量操作用并行方法，如 forEach、reduce，提升性能。
4. 不要用 null 作为 key 或 value，避免异常。
5. 合理初始化容量，减少扩容带来的性能开销。

十八、典型应用场景

• 高并发缓存（如本地缓存、分布式缓存）
• 并发统计（如计数器、流量统计）
• 线程安全的会话管理、用户状态管理
• 配置中心、注册表等高并发读写场景

十九、总结

ConcurrentHashMap 是高性能、线程安全的 Map 实现，广泛用于多线程环境。理解其分段锁、CAS、扩容机制等底层原理，有助于写出高并发高可靠的代码。

ConcurrentHashMap 通过 CAS、细粒度锁、协作扩容等机制，实现了高并发下的高性能和线程安全。理解其底层原理有助于在实际开发和面试中写出高质量的并发代码。