面试题：Java Hashtable线程安全带来的性能代价

Question

由于Hashtable线程安全，这在性能方面会带来一些代价。请详细说明在高并发场景下，Hashtable因线程安全机制而产生性能瓶颈的具体表现，以及从底层原理分析为什么会出现这些瓶颈？

Answer 1

性能瓶颈具体表现

1. 高竞争导致线程阻塞：在高并发环境下，多个线程同时访问Hashtable时，由于其使用了synchronized关键字对所有公共方法进行同步，这意味着同一时间只能有一个线程执行这些方法，其他线程必须等待锁的释放。大量线程等待锁会导致线程频繁阻塞和唤醒，增加了上下文切换的开销，严重影响性能。
2. 吞吐量降低：由于线程阻塞，系统整体的吞吐量会大幅下降。即使系统中有多个CPU核心，也无法充分利用多核的并行处理能力，因为线程被串行化执行。

底层原理分析

1. 全表锁机制：Hashtable的底层是数组加链表结构（JDK 1.7及之前）。它对所有的关键操作如put、get、remove等方法都使用synchronized进行同步，相当于对整个Hashtable对象加了一把锁。这就导致无论操作哪个元素，都需要获取这把全局锁，限制了并发访问的能力。
2. 锁粒度大：这种全局锁的方式使得锁的粒度非常大，不能对不同的桶（bucket）进行并行操作。例如，当一个线程在操作某个桶中的元素时，其他线程即使想操作不同桶中的元素也会被阻塞，无法充分利用系统资源进行并行处理，从而产生性能瓶颈。