大厂面试真题-ConcurrentHashMap怎么保证的线程安全？

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全的哈希表实现，它通过一系列精妙的机制来保证线程安全。以下是ConcurrentHashMap保证线程安全的主要方式：

1. 分段锁（Segment Locking，Java 1.8之前）：

   • 在Java 1.8之前的版本中，ConcurrentHashMap通过分段锁机制将整个哈希表分成多个段（Segment），每个段维护着一个独立的哈希表。
   • 读操作时，并不需要获取整个哈希表的锁，而是只需要获取对应段的锁。这样可以降低并发度限制，允许多个线程同时读取不同的段，从而提高读操作的并发性能。
   • 写操作时，需要锁定对应的段。虽然这仍然是一种锁机制，但相比于Hashtable等旧版哈希表的全局锁，分段锁能够显著提高并发性能。

2. CAS（Compare and Swap）操作和synchronized机制（Java 1.8及以后）：

   • Java 1.8版本的ConcurrentHashMap引入了新的数据结构和算法，进一步提高了并发性能。
   • 在写操作中，ConcurrentHashMap使用CAS操作来保证更新的原子性。CAS操作是一种无锁的同步机制，它通过比较内存中的值与期望值，如果相等则进行更新，否则重试。这种机制避免了全局锁的开销，提高了写操作的并发性能。
   • 同时，Java 1.8版本的ConcurrentHashMap也使用了synchronized机制来辅助实现线程安全，特别是在处理链表或红黑树等复杂数据结构时。

3. 内部数据结构：

   • ConcurrentHashMap使用了一种特殊的哈希表结构，即数组+链表+红黑树的结合体。
   • 当链表长度超过一定阈值时，会将链表转换为红黑树，以提高查找、插入和删除操作的效率。这种数据结构的设计使得在单个段上的操作更加高效。

4. 读写分离：

   • ConcurrentHashMap允许多个线程同时进行读取操作，而写入操作会引起更细粒度的锁定。这样，多个读操作可以并发进行，提高了并发性能。
   • 只有在写入操作时，才会对相关的段进行锁定，保证写入的原子性和一致性。

5. 迭代器的线程安全性：

   • ConcurrentHashMap的迭代器也是线程安全的。在迭代过程中，即使有其他线程对ConcurrentHashMap进行并发的修改操作，迭代器也不会抛出ConcurrentModificationException异常。
   • 这是因为迭代器在迭代期间保持对ConcurrentHashMap的结构的快照，而不是直接操作ConcurrentHashMap。

综上所述，ConcurrentHashMap通过分段锁（Java 1.8之前）、CAS操作和synchronized机制（Java 1.8及以后）、特殊的内部数据结构、读写分离以及线程安全的迭代器等多种机制来保证线程安全。这些机制共同作用下，使得ConcurrentHashMap能够在多线程环境中提供高效的并发性能和数据一致性。

以下是一个使用ConcurrentHashMap来保证线程安全的代码示例。这个例子将展示如何在多线程环境下安全地更新ConcurrentHashMap中的数据。

假设我们需要统计一个字符串中各个单词出现的次数，并且这个统计过程需要在多线程环境中进行。我们可以使用ConcurrentHashMap来存储单词及其出现的次数，并使用AtomicLong来保证计数操作的原子性（尽管在Java 8及更高版本中，ConcurrentHashMap的compute方法已经足够高效和线程安全，但这里也提供一个使用AtomicLong的示例作为对比）。

使用ConcurrentHashMap和AtomicLong

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; 
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong; public class WordCountExample { 
private final ConcurrentHashMap<String, AtomicLong> wordCounts = new ConcurrentHashMap<>(); public long increase(String word) { 
AtomicLong count = wordCounts.computeIfAbsent(word, k -> new AtomicLong(0)); 
return count.incrementAndGet(); 
} public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
WordCountExample example = new WordCountExample(); // 创建并启动多个线程来模拟并发增加单词计数 
Runnable task = () -> { 
for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
String word = "example"; // 这里以固定单词为例，实际应用中可以是不同的单词 
example.increase(word); 
} 
}; Thread t1 = new Thread(task); 
Thread t2 = new Thread(task); t1.start(); 
t2.start(); t1.join(); 
t2.join(); // 打印最终结果 
System.out.println("Total count for 'example': " + example.wordCounts.get("example").get()); 
} 
}

 

使用ConcurrentHashMap的compute方法

如果不使用AtomicLong，而是直接使用ConcurrentHashMap的compute方法，也可以达到同样的效果，且代码更加简洁。

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; public class WordCountExampleWithCompute { 
private final ConcurrentHashMap<String, Long> wordCounts = new ConcurrentHashMap<>(); public long increase(String word) { 
return wordCounts.compute(word, (k, v) -> v == null ? 1L : v + 1); 
} public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
// ...（与上面的main方法类似，只是实例化WordCountExampleWithCompute并调用其方法） 
} 
}

解释

1. 使用AtomicLong：
   • 在increase方法中，我们首先尝试从ConcurrentHashMap中获取与单词关联的AtomicLong对象。
   • 如果该单词不存在，则使用computeIfAbsent方法创建一个新的AtomicLong对象，并将其初始化为0。
   • 然后，使用incrementAndGet方法原子地增加计数器的值，并返回新的值。
2. 使用compute方法：
   • compute方法接受一个键和一个重映射函数，该函数根据键和当前值（如果存在）计算新值。
   • 如果当前值为null，则函数返回1（表示这是第一次添加该单词）。
   • 否则，函数返回当前值加1。

这两种方法都能在多线程环境中安全地更新ConcurrentHashMap中的数据，但使用compute方法的代码更加简洁。选择哪种方法取决于具体的应用场景和个人偏好。