面试题：Java的ConcurrentHashMap在高并发读写场景下的性能优化策略

Question

假设在一个高并发的系统中，频繁地对ConcurrentHashMap进行读写操作。请分析它在这种场景下，为了提升性能所采取的优化策略，例如如何减少锁竞争、如何利用分段锁或其他技术来提高并发度，并举例说明在不同负载情况下这些策略的效果。

Answer 1

1. 减少锁竞争策略

• 分段锁机制：ConcurrentHashMap在Java 7及之前版本采用分段锁（Segment）技术。每个Segment类似一个独立的哈希表，拥有自己的锁。这样在多线程操作时，不同线程可以对不同的Segment进行读写，而无需竞争同一把锁，从而减少锁竞争。例如，假设有16个Segment，当多个线程分别访问不同Segment时，就可以并行处理，大大提升并发度。
• 锁分离：读操作基本无锁（除了初始化时可能会有短暂的锁竞争），因为读操作使用volatile修饰的数组来保证可见性，无需加锁。写操作则针对具体的Segment加锁，避免了对整个哈希表加锁。

2. Java 8中的优化

• 取消分段锁，采用CAS + synchronized：Java 8中，ConcurrentHashMap不再使用分段锁，而是利用Node数组和链表（红黑树）来实现。写操作时，对于链表头部节点采用CAS操作来更新节点，失败时使用synchronized关键字对该节点加锁，这种方式进一步减少了锁的粒度。例如，当多个线程同时向不同链表插入节点时，只要CAS操作成功，就无需加锁，提升了并发性能。

3. 不同负载情况下策略的效果

• 低负载情况：
  • 分段锁：由于线程竞争不激烈，分段锁机制可能不会明显提升性能，因为锁竞争本身就少，反而分段锁的管理可能带来一些额外开销。
  • CAS + synchronized：CAS操作在低负载下成功率较高，所以性能表现良好，即使偶尔需要synchronized加锁，由于竞争不激烈，影响也较小。
• 高负载情况：
  • 分段锁：分段锁的优势得以体现，不同线程对不同Segment的操作可以并行，大大减少了锁竞争，显著提升并发度和性能。例如，当有大量线程同时读写不同Segment的数据时，分段锁可以让这些操作高效执行。
  • CAS + synchronized：通过CAS和细粒度的synchronized锁，在高负载下也能有效减少锁竞争。例如，大量线程同时插入数据到不同链表时，CAS操作能快速更新链表头节点，减少锁的使用，提高并发性能；对于竞争激烈的链表，synchronized锁也能保证数据一致性，整体性能优于传统的全表锁方式。