面试题：Java TreeMap自定义数据结构在高并发场景下的设计与实现

设计思路
- 并发控制机制：使用ConcurrentHashMap来存储数据，而不是直接使用TreeMap。虽然题目要求基于TreeMap，但TreeMap本身不是线程安全的。ConcurrentHashMap提供了高效的并发访问控制，允许多个线程同时进行插入、删除和查询操作。为了维持TreeMap的有序性，可以在插入数据时，将数据同时插入到ConcurrentHashMap和一个TreeSet中。TreeSet会自动根据元素的自然顺序或自定义比较器进行排序。
- 避免死锁：
  - 锁的顺序：在需要获取多个锁时，确保所有线程以相同的顺序获取锁。例如，如果在插入操作中需要获取ConcurrentHashMap和TreeSet的锁，那么在删除和查询操作中也以相同顺序获取锁。
  - 锁的粒度：尽量减小锁的粒度。对于ConcurrentHashMap，其内部已经采用了分段锁机制，减小了锁的粒度。对于TreeSet，可以通过使用Collections.synchronizedSortedSet来创建线程安全的TreeSet，在操作时，获取该集合的锁，但只在关键操作时获取，避免长时间持有锁。
对TreeMap底层实现进行的必要调整或扩展
- 由于不直接使用TreeMap，而是用ConcurrentHashMap和TreeSet来模拟类似功能，因此不需要对TreeMap底层实现进行调整。不过，如果非要基于TreeMap实现，可以对TreeMap进行扩展，例如创建一个SynchronizedTreeMap类，继承TreeMap，在类中定义一个Object锁对象，然后在所有可能被多线程访问的方法（如put、remove、get等）上使用synchronized关键字同步代码块，以保证线程安全。但这种方式锁的粒度较大，性能相对ConcurrentHashMap较差。

以下是示例代码（基于ConcurrentHashMap和TreeSet）：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentMap;
import java.util.Set;
import java.util.SortedSet;
import java.util.TreeSet;

public class CustomConcurrentDataStructure<K, V> {
    private final ConcurrentMap<K, V> map;
    private final SortedSet<K> sortedKeys;

    public CustomConcurrentDataStructure() {
        this.map = new ConcurrentHashMap<>();
        this.sortedKeys = Collections.synchronizedSortedSet(new TreeSet<>());
    }

    public void put(K key, V value) {
        map.put(key, value);
        sortedKeys.add(key);
    }

    public V get(K key) {
        return map.get(key);
    }

    public V remove(K key) {
        V value = map.remove(key);
        sortedKeys.remove(key);
        return value;
    }

    public SortedSet<K> getSortedKeys() {
        return sortedKeys;
    }
}

在上述代码中，CustomConcurrentDataStructure类使用ConcurrentHashMap存储键值对，使用synchronizedSortedSet包装的TreeSet来存储排序后的键。这样既保证了高并发下的操作性能，又维持了数据的有序性和线程安全。

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知识考点

面试题答案