面试题：Java中如何使用ConcurrentHashMap实现并发访问控制

Question

在实际项目中，需要在多线程环境下安全地使用类似HashMap的数据结构。请详细阐述如何使用ConcurrentHashMap来实现，并说明ConcurrentHashMap相较于HashMap在并发访问控制方面做了哪些优化。

Answer 1

使用ConcurrentHashMap在多线程环境下安全实现类似HashMap功能

1. 初始化ConcurrentHashMap：

   ConcurrentHashMap<String, Integer> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();
   

   这里创建了一个ConcurrentHashMap实例，键的类型为String，值的类型为Integer。
2. 添加元素：

   concurrentHashMap.put("key1", 1);
   

   put方法用于向ConcurrentHashMap中添加键值对。如果键已存在，会更新对应的值。
3. 获取元素：

   Integer value = concurrentHashMap.get("key1");
   

   get方法根据键获取对应的值。如果键不存在，返回null。
4. 遍历ConcurrentHashMap：

   concurrentHashMap.forEach((key, value) -> {
       System.out.println("Key: " + key + ", Value: " + value);
   });
   

   使用forEach方法对ConcurrentHashMap进行遍历，执行给定的操作。

ConcurrentHashMap相较于HashMap在并发访问控制方面的优化

1. 锁分段技术：
   • HashMap在多线程环境下如果不进行额外的同步处理，会出现数据竞争问题。而ConcurrentHashMap采用锁分段技术。它将整个哈希表分为多个段（Segment），每个段都有自己独立的锁。
   • 例如，在JDK 1.7的ConcurrentHashMap中，默认有16个段。不同线程对不同段进行操作时，不会相互干扰，从而提高了并发性能。只有在访问同一分段内的数据时才需要竞争锁。
2. 读操作几乎无锁：
   • HashMap在多线程读操作时，如果没有同步机制，可能读到不一致的数据。
   • ConcurrentHashMap在JDK 1.8之后，读操作大多时候不需要加锁。它通过volatile修饰的数组和链表/红黑树节点来保证可见性。写操作（如put）时，虽然会对部分数据结构进行修改，但读操作能通过volatile的特性看到最新的数据，这使得读操作在大多数情况下可以无锁执行，进一步提升了并发性能。
3. 支持高并发的写操作：
   • 相比HashMap在多线程写操作时需要对整个哈希表加锁（如使用synchronized关键字同步方法或块），导致其他线程无法访问哈希表，ConcurrentHashMap的锁粒度更细。
   • 在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap使用CAS（Compare - and - Swap）操作和synchronized关键字结合来实现高效的并发写操作。CAS用于无锁情况下的更新操作，只有在CAS失败时才使用synchronized锁，这大大减少了锁竞争，提高了并发写的效率。