面试题：Java中并发集合类与传统集合在多线程环境下的性能差异

Question

请阐述在多线程环境下，Java并发集合类（如ConcurrentHashMap）与传统集合类（如HashMap）在性能方面的主要差异，并说明造成这些差异的原因。

Answer 1

性能差异

1. 读操作性能：
   • ConcurrentHashMap：在多线程环境下读操作性能较好。由于其采用分段锁等机制，允许多个线程同时进行读操作，读操作基本不会阻塞，性能提升明显。
   • HashMap：在多线程环境下读操作性能可能受影响。虽然读操作本身不需要加锁，但如果发生扩容等操作，可能会影响读的一致性，并且当多个线程同时操作时，可能会导致数据竞争等问题，间接影响读性能。
2. 写操作性能：
   • ConcurrentHashMap：采用分段锁机制（Java 7 及之前版本）或 CAS 操作（Java 8 及之后版本），可以支持部分线程并行写操作，写操作的并发性能相对较高。例如在 Java 7 中，不同分段的写操作可以同时进行，不会相互阻塞。
   • HashMap：在多线程环境下写操作需要额外的同步措施（如使用 Collections.synchronizedMap 进行包装），但这样会导致整个 map 被锁定，同一时间只能有一个线程进行写操作，性能较低。

差异原因

1. 锁机制：
   • ConcurrentHashMap：
     • Java 7 及之前：采用分段锁（Segment）机制，将数据分成多个段，每个段有独立的锁。例如，默认有 16 个段，不同线程对不同段的操作可以并行，减少了锁竞争。
     • Java 8 及之后：放弃了分段锁，采用 CAS 操作和 synchronized 关键字。在插入新元素时，首先使用 CAS 操作尝试插入，如果失败再使用 synchronized 锁住链表或红黑树的头节点，进一步提高了并发性能。
   • HashMap：本身不是线程安全的，在多线程环境下如果要保证线程安全，需要外部同步，如使用 Collections.synchronizedMap 包装后，会对整个 map 加锁，导致所有读写操作都在同一把锁下进行，锁竞争激烈，性能降低。
2. 数据结构和操作方式：
   • ConcurrentHashMap：在 Java 8 引入红黑树后，在处理哈希冲突时，当链表长度超过一定阈值会转换为红黑树，查询和插入性能在数据量较大且哈希冲突较多时更稳定。并且在并发操作时，对数据结构的调整采用更细粒度的方式，减少对其他线程的影响。
   • HashMap：在处理哈希冲突时，主要使用链表，在哈希冲突严重时性能会下降。而且在多线程环境下进行扩容等操作时，由于数据结构调整涉及到整个 map，容易出现数据竞争和死循环等问题，为保证线程安全而采取的同步措施又会严重影响性能。