面试题：Java中ConcurrentHashMap在高并发写操作时如何保证线程安全

Question

描述ConcurrentHashMap在面对高并发写操作时，采用了哪些机制来确保线程安全，例如从数据结构、锁机制等方面进行分析。

Answer 1

数据结构

1. 分段数组：在早期版本（Java 7及之前），ConcurrentHashMap采用了Segment数组，每个Segment类似一个独立的HashMap，它有自己的锁。这样，不同的Segment可以同时进行写操作，实现了部分的并行性。当对ConcurrentHashMap进行写操作时，实际上是对具体的Segment加锁，降低了锁的粒度，相比对整个哈希表加锁，提高了并发性能。
2. 链表和红黑树：无论是Java 7还是Java 8，在每个Segment（Java 8中是桶bucket）内部，存储结构都是链表和红黑树。当链表长度达到一定阈值（默认为8）时，会将链表转换为红黑树，以提高查找、插入和删除的效率。这种结构在高并发写操作时，能保证数据结构的有序性和高效性，减少冲突带来的性能影响。在Java 8中，直接使用Node数组作为哈希表的基本结构，摒弃了Segment，进一步简化了结构，提高了并发写性能。

锁机制

1. 锁分段技术（Java 7及之前）：通过Segment数组实现锁分段。每个Segment继承自ReentrantLock，写操作时，线程只需要获取操作的Segment的锁，而不是整个ConcurrentHashMap的锁。这样多个线程可以同时对不同的Segment进行写操作，从而提高并发性能。例如，假设ConcurrentHashMap有16个Segment，那么理论上最多可以有16个线程同时进行写操作，而不会产生锁竞争。
2. CAS（Compare - And - Swap）和synchronized结合（Java 8及之后）：
   • CAS操作：在插入新节点等操作时，首先会尝试使用CAS操作来更新哈希表。CAS操作是一种乐观锁机制，它不需要获取锁，直接尝试更新数据，如果更新失败，说明有其他线程同时在操作，再采用其他方式处理。比如在Java 8中，当向ConcurrentHashMap中插入节点时，首先通过CAS操作尝试将新节点插入到指定位置。如果CAS操作成功，说明插入操作完成，不需要加锁；如果失败，说明有其他线程同时在修改该位置的数据，进入下一步处理。
   • synchronized：当CAS操作失败后，使用synchronized关键字对桶（bucket）进行加锁。相比早期版本的ReentrantLock，synchronized在Java 8进行了优化，性能有显著提升。加锁后，再次检查桶的状态，然后进行节点的插入或其他写操作。例如，在一个桶中进行节点插入时，如果发现该桶已经被其他线程修改，通过synchronized加锁后，重新判断桶的状态，再进行插入操作，确保线程安全。

其他机制

1. volatile关键字：在ConcurrentHashMap中，无论是数组还是节点中的一些关键属性都使用volatile关键字修饰。例如，在Java 8中，Node数组的元素以及节点的一些属性（如next指针等）被声明为volatile。这确保了对这些变量的修改能立即被其他线程可见，保证了内存的可见性，从而在高并发写操作时，各个线程能及时获取到最新的数据状态，避免数据不一致问题。例如，当一个线程修改了某个节点的next指针时，其他线程能立即看到这个修改，确保在遍历链表或树结构时不会出现错误。