面试题：Java集合框架中ConcurrentHashMap的实现原理

Question

请深入分析Java集合框架中ConcurrentHashMap在JDK 1.7和JDK 1.8版本中的实现原理，包括数据结构、锁机制以及如何保证线程安全，并且说明两个版本之间的改进点。

Answer 1

JDK 1.7 中 ConcurrentHashMap 的实现原理

1. 数据结构：采用分段数组（Segment）和哈希表（HashEntry）。Segment 继承自 ReentrantLock，每个 Segment 内部是一个 HashEntry 数组。HashEntry 包含 key、value、next 指针等。当需要存储数据时，先根据 key 的哈希值定位到对应的 Segment，再在该 Segment 内的 HashEntry 数组中进行插入。
2. 锁机制：使用分段锁，每个 Segment 都有独立的锁。当对某个 Segment 进行写操作时，只需要获取该 Segment 的锁，其他 Segment 仍可并发访问，从而提高了并发性能。读操作一般不需要加锁，因为 HashEntry 的 value 和 next 字段使用 volatile 修饰，保证了可见性。
3. 线程安全保证：通过分段锁和 volatile 修饰符保证线程安全。写操作加锁，防止多线程同时修改同一 Segment 的数据；读操作通过 volatile 保证能读取到最新的数据。

JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 的实现原理

1. 数据结构：摒弃了 Segment 结构，采用数组 + 链表 + 红黑树的数据结构。数组中的每个元素可以是一个链表，当链表长度超过阈值（默认为 8）时，会将链表转换为红黑树以提高查询效率。
2. 锁机制：使用 CAS（Compare and Swap）和 synchronized 关键字。在数组元素为空时，使用 CAS 操作进行插入；当数组元素不为空时，对该元素（链表头或红黑树的根节点）使用 synchronized 加锁进行操作。
3. 线程安全保证：通过 CAS 操作保证原子性插入，synchronized 关键字保证对同一元素的操作互斥，从而保证线程安全。同时，利用 volatile 保证数组和节点的可见性。

两个版本之间的改进点

1. 数据结构优化：JDK 1.8 采用更高效的数组 + 链表 + 红黑树结构，相比 JDK 1.7 的分段数组 + 哈希表，在链表长度较长时查询性能有显著提升。
2. 锁粒度更细：JDK 1.7 的分段锁是基于 Segment，粒度较大；JDK 1.8 直接对数组元素加锁，锁粒度更细，并发性能进一步提高。
3. 锁机制优化：JDK 1.8 减少了 ReentrantLock 的使用，更多地使用 CAS 和 synchronized，在保证线程安全的同时，提高了性能。
4. 内存占用优化：JDK 1.8 去除了 Segment 结构，减少了内存占用。