面试题：Java集合框架并发容器源码研究

Question

以ConcurrentHashMap为例，从源码角度分析其在高并发场景下是如何保证线程安全的，比较其与Hashtable在实现线程安全机制上的差异，并说明ConcurrentHashMap在不同JDK版本中的改进及优化思路。

Answer 1

ConcurrentHashMap线程安全机制（基于源码分析）

1. JDK 1.7
   • 分段锁机制：将数据分成多个段（Segment），每个段都有自己的锁。当对某个段进行操作时，只需要获取该段的锁，而其他段仍然可以被并发访问。例如，假设有16个Segment，不同线程可以同时访问不同的Segment，大大提高了并发度。
   • put操作：首先通过哈希算法定位到具体的Segment，然后获取该Segment的锁，再进行插入操作。这样在高并发场景下，只要不同线程操作的是不同的Segment，就不会产生锁竞争。
   • get操作：大多数情况下不需要加锁，因为HashEntry的value使用了volatile关键字修饰，保证了可见性。所以直接通过哈希定位到具体位置即可获取数据，提高了读操作的性能。
2. JDK 1.8
   • 摒弃分段锁，采用CAS + synchronized：在JDK 1.8中，不再使用分段锁，而是直接对数组的每个桶（Node）进行同步控制。当桶为空时，使用CAS操作进行插入；当桶不为空且链表长度小于阈值（默认为8）时，使用synchronized对链表头节点进行同步；当链表长度大于等于阈值时，会将链表转换为红黑树，同样使用synchronized对树节点进行同步。
   • put操作：首先计算哈希值，定位到数组位置。如果该位置为空，使用CAS尝试插入；如果不为空，对该位置的节点加锁（synchronized），然后进行插入或更新操作。如果链表长度达到阈值，会将链表转换为红黑树以提高查找效率。
   • get操作：同样不需要加锁，通过哈希值定位到数组位置，然后直接获取数据。由于Node的value和next都使用了volatile修饰，保证了数据的可见性。

与Hashtable线程安全机制的差异

1. 锁的粒度
   • Hashtable：对整个哈希表加锁，即所有的读写操作都需要获取同一个锁，在高并发场景下，锁竞争激烈，性能较低。例如，当一个线程在进行put操作时，其他线程无论是读还是写都必须等待锁的释放。
   • ConcurrentHashMap：JDK 1.7采用分段锁，锁的粒度更细，不同段之间可以并发操作；JDK 1.8进一步优化，对每个桶进行同步控制，并发度更高。
2. 读操作是否加锁
   • Hashtable：读操作也需要加锁，因为其内部没有对数据的可见性做特殊处理，为了保证数据一致性，读操作必须在锁的保护下进行。
   • ConcurrentHashMap：JDK 1.7和1.8的读操作大多情况下都不需要加锁，通过volatile关键字保证了数据的可见性，提高了读性能。
3. 扩容机制
   • Hashtable：扩容时会锁住整个哈希表，其他线程无法进行操作。
   • ConcurrentHashMap：JDK 1.7在扩容时，每个Segment独立扩容，不会影响其他Segment的操作；JDK 1.8在扩容时，采用了更复杂的机制，允许并发扩容，部分线程可以在扩容过程中继续进行读写操作。

ConcurrentHashMap在不同JDK版本中的改进及优化思路

1. 从JDK 1.7到JDK 1.8
   • 数据结构优化：JDK 1.8引入了红黑树结构，当链表长度过长时，将链表转换为红黑树，提高了查找效率。在高并发场景下，大量数据的查找操作性能得到显著提升。
   • 锁机制优化：摒弃分段锁，采用CAS + synchronized的方式，进一步降低了锁的粒度，提高了并发度。同时，synchronized在JDK 1.8中进行了优化，性能有了较大提升。
   • 扩容优化：JDK 1.8的扩容机制更加复杂和高效，允许并发扩容，减少了扩容时对系统性能的影响。在扩容过程中，部分线程可以继续进行读写操作，提高了系统的整体可用性。

综上所述，ConcurrentHashMap在高并发场景下通过不断优化数据结构和锁机制，提供了高效且线程安全的哈希表实现。