面试题：Java线程安全集合类在高并发场景下的应用及原理

Question

在高并发场景下，`ConcurrentHashMap`和`HashTable`都能保证线程安全，阐述它们实现线程安全机制的差异，以及在不同读写比例场景下如何选择更合适的集合类。

Answer 1

线程安全机制差异

1. HashTable：
   • HashTable 是通过对几乎所有的操作（如 put、get 等）都使用 synchronized 关键字进行同步，这意味着在同一时间只有一个线程能够访问 HashTable 的方法，从而保证线程安全。这种方式是对整个 HashTable 进行锁定，粒度较大，并发性能相对较差。
2. ConcurrentHashMap：
   • 在 JDK 1.7 中，ConcurrentHashMap 采用分段锁（Segment）的机制。它将整个哈希表分成多个段（Segment），每个段就像是一个小的 HashTable，每个段都有自己的锁。当一个线程访问某个段时，只会锁定这个段，而其他段仍然可以被其他线程访问，大大提高了并发性能。
   • 在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 摒弃了分段锁机制，采用了 CAS（Compare - and - Swap）和 synchronized 相结合的方式。对于读操作，大部分时候不需要加锁，直接通过数组和链表（或红黑树）获取数据，只有在扩容等特殊情况下才需要加锁。对于写操作，使用 synchronized 关键字锁住链表或红黑树的头节点，锁的粒度更细，进一步提升了并发性能。

不同读写比例场景下的选择

1. 读多写少场景：
   • ConcurrentHashMap：由于读操作大部分无需加锁，性能优势明显。在高并发读多写少的场景下，ConcurrentHashMap 能充分发挥其并发优势，减少线程等待时间，提高系统整体性能。
   • HashTable：因为每次读操作都要获取整个 HashTable 的锁，即使读操作之间不存在竞争，也会因为锁的存在而产生性能瓶颈，所以不适合读多写少场景。
2. 写多读少场景：
   • ConcurrentHashMap：在 JDK 1.8 中，写操作虽然采用了细粒度锁，但由于 CAS 操作和锁的竞争等因素，在写操作特别频繁时，可能会有一定的性能开销。不过相比 HashTable 整个表锁定的方式，ConcurrentHashMap 仍然具有一定优势，因为其锁粒度更细，多个写操作可以并行在不同的链表或红黑树头节点上进行。
   • HashTable：虽然每次写操作都锁定整个表，但如果写操作频率不高，并且对代码简洁性有一定要求（HashTable 实现相对简单），也可以考虑使用 HashTable。但总体来说，在写多读少的高并发场景下，ConcurrentHashMap 通常是更好的选择。