面试题：Java中ConcurrentHashMap对Hashtable的高并发优化改进

Question

对比Java的ConcurrentHashMap和Hashtable，详细阐述ConcurrentHashMap在高并发场景下相较于Hashtable做了哪些优化改进，这些改进是如何实现的。

Answer 1

线程安全机制

• Hashtable：
  • 实现方式：对几乎所有涉及修改数据结构的方法（如put、get、remove等）都使用synchronized关键字进行同步，这意味着同一时间只有一个线程可以访问这些方法，通过锁住整个哈希表来保证线程安全。
  • 缺点：在高并发场景下，由于锁的粒度太大，会导致大量线程竞争同一把锁，从而造成性能瓶颈。
• ConcurrentHashMap：
  • 实现方式：在Java 1.7及之前版本，采用分段锁（Segment）机制。每个Segment独立加锁，不同Segment之间的操作可以并发执行。比如在put操作时，只需要锁住当前元素对应的Segment，而不是整个哈希表。在Java 8及之后版本，摒弃了分段锁机制，采用Node数组 + 链表 + 红黑树的数据结构，并使用CAS（Compare - and - Swap）算法和synchronized关键字结合的方式实现线程安全。CAS用于更新一些基本操作，而synchronized则主要用于锁住链表头节点或红黑树的根节点，锁的粒度更细。
  • 优点：大大提高了并发性能，允许多个线程同时访问不同部分的数据，减少了线程竞争。

迭代器

• Hashtable：
  • 实现方式：当使用Iterator遍历Hashtable时，如果在遍历过程中其他线程对Hashtable进行了修改（增、删、改操作），会抛出ConcurrentModificationException异常，即采用快速失败（fail - fast）机制。
  • 缺点：这种机制在高并发场景下可能会导致遍历过程频繁失败，影响程序的正常执行。
• ConcurrentHashMap：
  • 实现方式：其迭代器采用弱一致性（weakly consistent）机制。在遍历过程中，允许其他线程对ConcurrentHashMap进行修改，迭代器能感知到部分修改，但不会抛出ConcurrentModificationException异常。迭代器遍历的是创建迭代器时哈希表的快照，而在遍历过程中新增的元素可能不会被遍历到，删除和修改的元素则会根据具体情况有不同表现。
  • 优点：在高并发环境下，迭代操作不会因为其他线程的修改而频繁失败，保证了遍历的相对稳定性，提高了并发性能。

性能优化

• Hashtable：
  • 性能表现：由于锁粒度大，在高并发场景下，大量线程竞争锁，导致线程频繁阻塞和唤醒，上下文切换开销大，从而性能较低。
• ConcurrentHashMap：
  • 性能表现：通过更细粒度的锁机制和CAS操作，减少了线程竞争，降低了上下文切换开销，提高了并发读写性能。例如在Java 8中，当链表长度超过阈值（默认为8）时会将链表转换为红黑树，提高了查找性能，进一步优化了高并发场景下的整体性能。