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2024年2月19日发(作者：html标签含义)
concurrenthashmap线程安全实现原理
ConcurrentHashMap线程安全实现原理
1. 简介
ConcurrentHashMap 是 Java 中线程安全的哈希表，是 HashMap
的线程安全版本。它允许多个线程同时进行读操作，并且支持高并发的写操作。本文将深入解析 ConcurrentHashMap 的线程安全实现原理。
2. Hash表的基本结构
ConcurrentHashMap 的底层数据结构是哈希表，它由一个固定大小的数组和一组链表（或红黑树）组成。对于每个键值对，哈希表会通过哈希函数计算出一个索引，然后将键值对存储在对应索引的位置。
3. 分段锁实现并发安全
ConcurrentHashMap 采用分段锁的方式实现并发安全。它将整个哈希表分为多个独立的段（Segment），每个段都拥有自己的锁。每个段在逻辑上就是一个独立的小 HashMap，它们之间并没有共享状态。
4. 独立的段与线程安全
由于每个段独立于其他段，并拥有自己的锁，不同线程可以同时访问不同的段。这样，当多个线程同时访问 ConcurrentHashMap 时，不同的线程可以并发地对不同的段进行读写操作，从而提高并发性能。
5. 锁的粒度
ConcurrentHashMap 的锁的粒度要比整个哈希表的粒度小得多，这使得多个线程可以同时进行读操作，而不必互斥等待。只有在写操作时，才需要获取段级别的锁，并保证线程安全。
6. 数据结构的具体实现
ConcurrentHashMap 使用数组和链表（或红黑树）实现了哈希表的功能。在每个段（Segment）中，都有一个 HashEntry 数组，用于存储键值对。当发生哈希冲突时，链表或红黑树结构会被用来解决冲突。
7. 锁的获取与释放
在读操作时，不需要获取锁，可以直接访问对应的段。在写操作时，需要先获取相应的段级别锁，然后进行更改。写操作完成后，需要释放段级别锁。这样可以保证并发的读操作，提高读的吞吐量。
8. 动态扩容
ConcurrentHashMap 在扩容时，会将所有的段一次性扩容。扩容过程中，读操作可以继续进行，不会受到影响。写操作虽然需要获取段级别的锁，但只会影响到当前正在扩容的段，其他段的读写操作依然可以并发进行。
9. 总结
ConcurrentHashMap 是一种高效的线程安全的哈希表实现。它通过采用分段锁的机制，充分利用多核 CPU 的性能，实现了高并发的读
和写操作。同时，它还采用了数组和链表（或红黑树）的数据结构，解决了哈希冲突的问题。深入理解 ConcurrentHashMap 的线程安全实现原理，有助于我们在多线程环境下正确高效地使用它。
10. 使用场景
ConcurrentHashMap 在多线程环境中非常适用于高并发的读写操作。由于它的线程安全性和高性能，它被广泛应用于各种需要并发访问的场景，如缓存、并发计算等。
11. 具体实现过程
当需要进行读取操作时，ConcurrentHashMap 会根据传入的键值通过哈希函数计算出索引，然后根据索引定位到对应的段。在获取段级别锁之前，需要通过 hash & ( - 1) 计算得到索引位置，并进行
null 检查。如果该索引位置处没有段，则需要先初始化一个段。
在进行写操作时，首先也会根据传入的键值计算出索引，然后获取相应的段级别锁。获取锁后，根据索引定位到对应的段，在段中进行具体的写操作，如插入、删除或更新操作。操作完成后，需要释放段级别锁。
12. 线程安全保证
由于每个段都拥有自己的锁，不同的段之间并没有共享状态，因此线程可以安全地并发进行读写操作。在进行写操作时，通过获取段级别锁，保证了写的原子性和可见性。读操作则不需要获取锁，可以并发进行，提高了读的吞吐量。
13. 性能考虑
ConcurrentHashMap 的设计并不追求绝对的一致性，而是通过合理的锁设计和数据结构的选择，追求高并发的读写性能。通过减小锁的粒度，使得多个线程可以同时访问不同的段，提高了并发性能。同时，使用链表或红黑树解决哈希冲突，提高了查找效率，进一步提升了性能。
14. 注意事项
尽管 ConcurrentHashMap 是线程安全的，但在使用过程中仍需要注意以下几点： - 在对同一段同时进行写操作时，可能会引发竞态条件。需要在代码逻辑上保证正确的同步，或者采用原子操作来解决。
- 对于要求顺序性的操作，如先检查再更新，需要使用原子操作或手动加锁来保证正确性。
15. 结论
通过分段锁的机制以及合理的数据结构选择，ConcurrentHashMap
实现了高效的线程安全操作。对于并发读写场景，它是一种非常可靠和高性能的选择。在实践中，我们应当深入理解其实现原理，并根据具体需求合理地使用和配置 ConcurrentHashMap。
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