面试题：Java中自定义基于HashMap的并发安全容器设计

Question

假设现有的Java并发集合类都无法满足项目需求，需要你基于HashMap自定义一个并发安全的容器。请描述你的设计思路，包括如何实现线程安全、如何处理锁的粒度以及如何平衡性能和线程安全之间的关系。

Answer 1

1. 实现线程安全的思路：
   • 使用锁机制：可以选择synchronized关键字或者ReentrantLock来实现线程同步。synchronized相对简单，而ReentrantLock提供了更灵活的锁控制，如可中断的获取锁、公平锁等特性。
   • 采用分段锁：为了减少锁的粒度，提高并发性能，可以借鉴ConcurrentHashMap的分段锁机制。将整个数据结构分成多个段（Segment），每个段有自己独立的锁。不同线程可以同时访问不同段的数据，从而提高并发度。
2. 处理锁的粒度：
   • 粒度细化：以分段锁为例，每个段独立加锁，这样当多个线程访问不同段的数据时，不会因为锁竞争而阻塞。例如，假设有16个段，线程A访问段1的数据，线程B访问段2的数据，它们可以同时进行，无需等待对方释放锁。
   • 动态调整：在实际应用中，可以根据数据量和并发访问情况动态调整段的数量。如果数据量较小且并发度不高，可以适当减少段的数量；反之，如果数据量庞大且并发访问频繁，则增加段的数量。
3. 平衡性能和线程安全之间的关系：
   • 读操作优化：对于读操作，可以采用无锁的方式，通过使用volatile关键字保证数据的可见性。例如，在获取数据时，不需要加锁，只要保证数据的最新状态能被读取到即可。同时，可以使用写时复制（Copy - on - Write）的思想，在写操作时创建新的副本，写完后再替换原有的数据结构，读操作始终读取旧的结构，这样读操作就不会被写操作阻塞。
   • 锁的优化：选择合适的锁机制和锁策略。如使用ReentrantLock时，可以根据实际情况选择公平锁或非公平锁。非公平锁在竞争激烈时可能会有更好的性能，因为它允许新到来的线程有机会插队获取锁；而公平锁则更公平，按照线程请求锁的顺序分配锁。同时，尽量减少锁的持有时间，将一些不需要在锁内执行的操作移到锁外。
   • 并发度控制：通过合理设置分段锁的段数或者其他并发控制机制，在保证线程安全的前提下，最大化系统的并发性能。既要避免因为锁粒度太大导致并发度低，也要防止锁粒度太小带来过多的锁开销。