面试题：Java中ConcurrentHashMap如何实现线程安全的

Question

请简要阐述Java的ConcurrentHashMap通过哪些机制来确保在多线程环境下的安全操作，比如在高并发读写场景下是如何避免数据不一致问题的。

Answer 1

1. 分段锁机制（早期版本）：
   • 原理：在Java 8之前，ConcurrentHashMap采用分段锁（Segment）机制。它将数据分成多个段（Segment），每个Segment类似一个小型的HashMap，并各自持有一把锁。
   • 高并发读写优势：在高并发读写场景下，不同线程可以同时访问不同的Segment，而不会相互阻塞。例如，线程A对Segment1进行写操作，线程B可以同时对Segment2进行读操作，大大提高了并发性能。
2. CAS + synchronized锁优化（Java 8及之后）：
   • 数组初始化：在初始化ConcurrentHashMap的数组时，使用Unsafe类的compareAndSwapInt（CAS）操作来确保数组的正确初始化。这种操作是原子性的，多个线程同时尝试初始化数组时，只有一个线程能够成功，避免了数据不一致。
   • 链表和红黑树操作：
     • 链表插入：当向链表中插入节点时，首先通过CAS操作尝试将新节点插入到链表头部。如果失败，说明有其他线程同时在操作，此时才使用synchronized关键字对链表头节点加锁，进行插入操作。
     • 红黑树操作：在向红黑树中插入或删除节点时，同样先尝试使用CAS操作。若失败，对红黑树的根节点使用synchronized加锁，保证操作的原子性，避免数据不一致。
   • 读操作：
     • 无锁读：ConcurrentHashMap的读操作大部分是无锁的。因为数组、链表或红黑树的节点都使用volatile关键字修饰，保证了内存可见性。当一个线程修改了某个节点的值，其他线程能够立即看到最新值，所以读操作不需要加锁，提高了并发读的性能。
     • 特殊情况：在扩容期间，读操作可能会受到一定影响，但ConcurrentHashMap通过一些机制确保读操作能够正确获取数据，例如使用ForwardingNode来指引读操作到新的数组位置。
3. 扩容机制：
   • 部分扩容：在扩容时，ConcurrentHashMap不会一次性将所有数据迁移到新的数组，而是采用分段迁移的方式。每次只迁移一部分数据，这样在扩容过程中，其他未迁移的部分仍然可以正常读写，避免了长时间的阻塞，保证了高并发场景下的可用性。
   • 同步控制：在扩容过程中，使用sizeCtl变量来控制扩容的状态和并发操作。通过CAS操作对sizeCtl进行更新，确保只有一个线程能够发起扩容操作，并且多个线程在协助扩容时能够有序地进行数据迁移，避免数据丢失或不一致。