面试题：Java自定义高并发优化的Hashtable扩展实现

整体设计思路

分段锁设计：借鉴ConcurrentHashMap的分段锁思想，将整个Hashtable分成多个段（Segment），每个段独立加锁，这样不同段上的读写操作可以并发执行，从而提高并发性能。
减少锁粒度：通过缩小锁的范围，使得在高并发情况下，竞争同一把锁的概率降低，提升系统的吞吐量。

关键数据结构

Segment类：

继承自ReentrantLock，每个Segment对象代表一个锁，同时包含一个HashEntry数组，用于存储键值对。

static final class Segment<K, V> extends ReentrantLock {
    transient volatile HashEntry<K, V>[] table;
    // 其他必要的属性和方法
}

HashEntry类：

类似于Hashtable中的Entry，用于存储键值对。不同的是，这里将其设计为不可变类，并且使用volatile修饰next指针，保证多线程环境下的可见性。

static final class HashEntry<K, V> {
    final K key;
    final int hash;
    volatile V value;
    volatile HashEntry<K, V> next;
    HashEntry(K key, int hash, V value, HashEntry<K, V> next) {
        this.key = key;
        this.hash = hash;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }
}

自定义的ConcurrentHashtable类：

包含一个Segment数组，以及一些控制并发读写的属性和方法。

public class ConcurrentHashtable<K, V> {
    private final Segment<K, V>[] segments;
    private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
    public ConcurrentHashtable() {
        this(DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
    }
    public ConcurrentHashtable(int concurrencyLevel) {
        segments = new Segment[concurrencyLevel];
        for (int i = 0; i < concurrencyLevel; i++) {
            segments[i] = new Segment<>();
        }
    }
    // 其他方法
}

方法的实现细节

put方法：

计算键的哈希值，根据哈希值定位到对应的Segment。
锁定该Segment，然后在Segment的HashEntry数组中查找是否存在相同键的元素。
如果存在则更新值，否则插入新的HashEntry。
操作完成后释放锁。

public V put(K key, V value) {
    int hash = key.hashCode();
    int segmentIndex = hash & (segments.length - 1);
    Segment<K, V> segment = segments[segmentIndex];
    segment.lock();
    try {
        HashEntry<K, V>[] table = segment.table;
        int index = hash & (table.length - 1);
        for (HashEntry<K, V> e = table[index]; e!= null; e = e.next) {
            if (e.key.equals(key)) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                return oldValue;
            }
        }
        // 插入新元素
        segment.put(new HashEntry<>(key, hash, value, table[index]));
        return null;
    } finally {
        segment.unlock();
    }
}

get方法：

计算键的哈希值，定位到对应的Segment。
无需锁定Segment，直接在Segment的HashEntry数组中查找键对应的值。
由于HashEntry的value和next是volatile修饰的，能保证可见性，所以无需加锁也能获取到最新值。

public V get(K key) {
    int hash = key.hashCode();
    int segmentIndex = hash & (segments.length - 1);
    Segment<K, V> segment = segments[segmentIndex];
    HashEntry<K, V>[] table = segment.table;
    int index = hash & (table.length - 1);
    for (HashEntry<K, V> e = table[index]; e!= null; e = e.next) {
        if (e.key.equals(key)) {
            return e.value;
        }
    }
    return null;
}

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面试题：Java自定义高并发优化的Hashtable扩展实现

知识考点

面试题答案

整体设计思路

关键数据结构

方法的实现细节