面试题：Java Map接口自定义实现及性能优化

Question

假设你要自定义实现一个Map接口，在保证线程安全的前提下，如何设计数据结构和算法，以实现高效的插入、查询和删除操作？请阐述具体的思路和可能用到的技术点。

Answer 1

1. 数据结构设计思路
   • 选择ConcurrentHashMap作为基础参考：Java中的ConcurrentHashMap在保证线程安全的同时，具有高效的插入、查询和删除操作性能。可以借鉴其分段锁（Java 7及之前）或CAS（Compare - And - Swap）+ synchronized（Java 8及之后）的设计理念。
   • 采用数组 + 链表/红黑树的结构：类似于HashMap，使用一个数组作为桶（bucket），每个桶存储一个链表或红黑树（当链表长度达到一定阈值转换为红黑树，以优化查找时间复杂度）。数组的索引通过对键的哈希值进行计算得到，这样可以将不同的键值对分散到不同的桶中，减少哈希冲突。
2. 线程安全实现技术点
   • 分段锁（Java 7方式）：
     • 将整个数据结构分成若干个段（Segment），每个段都有自己的锁。当进行插入、查询或删除操作时，只需要锁定对应的段，而不是整个数据结构。这样可以提高并发性能，因为不同段的操作可以同时进行，互不干扰。
     • 例如，在插入操作时，先根据键的哈希值定位到对应的段，然后获取该段的锁，再进行插入操作。操作完成后释放锁。
   • CAS + synchronized（Java 8方式）：
     • CAS操作：在一些简单的操作（如更新某个桶的头节点等）中，使用CAS操作。CAS是一种乐观锁机制，它尝试将内存中的值与预期值进行比较，如果相等则更新为新值，否则不进行操作并返回失败。这种方式在多线程竞争不激烈的情况下，可以避免使用锁带来的开销，提高效率。
     • synchronized锁：对于一些复杂操作（如扩容等），使用synchronized关键字对特定的代码块进行同步。例如，当需要进行扩容操作时，对整个数据结构加锁，以确保在扩容过程中数据的一致性。在Java 8中，对于链表转红黑树等操作也可能会使用synchronized。
3. 插入操作
   • 计算键的哈希值，通过哈希值定位到数组中的桶。
   • 如果桶为空，直接创建新的节点（链表节点或红黑树节点）插入。
   • 如果桶不为空，判断是链表还是红黑树。如果是链表，遍历链表找到合适的位置插入；如果链表长度达到阈值，将链表转换为红黑树（如果是红黑树，直接按照红黑树的插入规则插入）。
   • 在插入过程中，根据选择的线程安全机制（分段锁或CAS + synchronized）进行同步控制。
4. 查询操作
   • 计算键的哈希值，定位到数组中的桶。
   • 如果桶为空，直接返回null。
   • 如果桶不为空，判断是链表还是红黑树。如果是链表，遍历链表查找键对应的节点；如果是红黑树，按照红黑树的查找规则查找。
   • 在查询过程中，不需要对整个数据结构加锁，因为读操作通常不需要保证强一致性（可以使用volatile关键字保证可见性）。如果使用分段锁，也只需在访问段内数据时获取对应段的锁。
5. 删除操作
   • 计算键的哈希值，定位到数组中的桶。
   • 如果桶为空，直接返回。
   • 如果桶不为空，判断是链表还是红黑树。如果是链表，遍历链表找到要删除的节点并删除；如果是红黑树，按照红黑树的删除规则删除。
   • 在删除后，如果红黑树节点数量小于一定阈值，将红黑树转换回链表。
   • 同样，在删除过程中，依据线程安全机制进行同步控制，确保删除操作的线程安全。