面试题：Java中ConcurrentHashMap的线程安全机制是如何实现的

Question

请详细阐述Java的ConcurrentHashMap在多线程环境下保证数据一致性和线程安全所采用的具体机制，比如从锁的粒度、数据结构等方面进行说明。

Answer 1

锁的粒度

1. 分段锁机制（JDK 1.7及之前）：
   • ConcurrentHashMap在JDK 1.7及之前采用了分段锁（Segment）的设计。它将数据分成多个段（Segment数组），每个段都有自己独立的锁。
   • 例如，当有多个线程同时访问ConcurrentHashMap时，不同线程可以访问不同的段，只有当线程访问同一个段时才需要竞争该段的锁。这样大大降低了锁的竞争程度，提高了并发性能。
2. CAS + 同步锁（JDK 1.8及之后）：
   • JDK 1.8中，ConcurrentHashMap摒弃了分段锁机制，采用了CAS（Compare - And - Swap）操作和synchronized关键字结合的方式。
   • 在插入新元素时，首先使用CAS操作尝试直接将元素插入到相应位置。如果CAS操作失败，说明有其他线程同时进行插入操作，此时才会使用synchronized关键字对该位置的链表头节点或红黑树节点加锁，再进行插入操作。这种方式进一步降低了锁的粒度，只有在真正发生竞争时才会加锁。

数据结构

1. 数组 + 链表（JDK 1.7）：
   • ConcurrentHashMap在JDK 1.7中，内部数据结构是由Segment数组和每个Segment中的HashEntry数组及链表组成。
   • Segment继承自ReentrantLock，每个Segment维护着一个HashEntry数组，HashEntry数组中的每个元素又是一个链表的头节点。当发生哈希冲突时，新元素会被插入到链表的头部。这种结构在保证线程安全的同时，通过分段锁机制提高了并发访问性能。
2. 数组 + 链表 + 红黑树（JDK 1.8）：
   • JDK 1.8的ConcurrentHashMap数据结构与HashMap类似，采用数组 + 链表 + 红黑树。
   • 当链表长度达到一定阈值（默认为8）且数组长度达到64时，链表会转换为红黑树，以提高查找效率。在多线程环境下，无论是链表还是红黑树的操作，都通过上述的CAS和synchronized机制来保证线程安全和数据一致性。例如，在红黑树节点的插入、删除操作时，会对相应的树节点加锁，以确保操作的原子性和一致性。