ConcurrentHashMap是Java中的一種線程安全的哈希表實(shí)現(xiàn)，它提供了與Hashtable和HashMap類(lèi)似的API，但通過(guò)使用分段鎖技術(shù)（Segment），使得多個(gè)線程可以同時(shí)讀取和寫(xiě)入不同的數(shù)據(jù)塊，從而提高了并發(fā)性能。同時(shí)，ConcurrentHashMap也支持弱一致性，即在某些情況下，讀取操作可能會(huì)返回稍早的值，但這對(duì)于很多應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)是可以接受的。該類(lèi)還提供了一些有用的方法，如putIfAbsent()、replace()、compute()等，方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行基于哈希表的數(shù)據(jù)處理。總之，ConcurrentHashMap是一個(gè)高效且可靠的多線程環(huán)境下的哈希表實(shí)現(xiàn)，非常適合在并發(fā)場(chǎng)景中使用。

一、ConcurrentHashMap 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ConcurrentHashMap 是 Java 中的一種線程安全的哈希表實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由多個(gè) Node 節(jié)點(diǎn)組成的數(shù)組和鏈表或紅黑樹(shù)。

在 ConcurrentHashMap 中，Node 節(jié)點(diǎn)是一個(gè)鍵值對(duì)，其中鍵為 K 類(lèi)型，值為 V 類(lèi)型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含了一個(gè)哈希值、一個(gè)鍵和一個(gè)值，以及指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用。具體而言，ConcurrentHashMap 的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

ConcurrentHashMap 中的每個(gè) Segment 是一個(gè)獨(dú)立的哈希表，而每個(gè) Segment 又由多個(gè) Bucket 組成，每個(gè) Bucket 再維護(hù)一個(gè)鏈表或紅黑樹(shù)（紅黑樹(shù)出現(xiàn)的條件是 Bucket 中的元素?cái)?shù)量大于等于 8）。

ConcurrentHashMap 的 put 操作可以分成兩個(gè)步驟，首先根據(jù) Key 的哈希值找到對(duì)應(yīng)的 Segment 和 Bucket，然后在 Bucket 中插入新的 Node 節(jié)點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，它的處理流程如下：

• 對(duì) Key 進(jìn)行哈希操作，得到其哈希值。
• 根據(jù)哈希值和 Segment 數(shù)組的長(zhǎng)度，計(jì)算出 Key 應(yīng)該被放在哪個(gè) Segment 中。
• 在 Segment 中獲取 Key 應(yīng)該放在哪個(gè) Bucket 中。
• 如果該 Bucket 是空的，則直接在它的頭部插入新的 Node 節(jié)點(diǎn)；否則，將新的 Node 節(jié)點(diǎn)插入到鏈表的尾部或紅黑樹(shù)上，并根據(jù)情況進(jìn)行擴(kuò)容或紅黑樹(shù)轉(zhuǎn)換為鏈表。
• 如果插入新的節(jié)點(diǎn)后 Bucket 中的元素?cái)?shù)量超過(guò)了一個(gè)閾值，則需要進(jìn)行擴(kuò)容操作。
• 如果插入新的節(jié)點(diǎn)后 Bucket 中的元素?cái)?shù)量大于等于 8 個(gè)并且 Bucket 不是紅黑樹(shù)，則需要將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹(shù)。
• 如果舊的紅黑樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量少于 6 個(gè)，則需要將紅黑樹(shù)轉(zhuǎn)換為鏈表。

ConcurrentHashMap 的 get 操作也很簡(jiǎn)單，直接根據(jù) Key 的哈希值找到對(duì)應(yīng)的 Segment 和 Bucket，然后在 Bucket 中查找對(duì)應(yīng)的 Node 節(jié)點(diǎn)即可。

二、ConcurrentHashMap 的分段鎖機(jī)制

ConcurrentHashMap 將整個(gè)哈希表分為多個(gè) Segment，每個(gè) Segment 又是一個(gè)獨(dú)立的哈希表，可以單獨(dú)進(jìn)行加鎖和擴(kuò)容操作。在操作數(shù)據(jù)時(shí)，只需要獲取對(duì)應(yīng) Segment 的鎖，不需要鎖住整個(gè)哈希表，這樣可以避免多個(gè)線程之間的等待和競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)提高吞吐量和并發(fā)性能。

簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)示例：

class ConcurrentHashMap<K, V> {
    final Segment[] segments;
    class Segment extends ReentrantLock implements Serializable{
        // 每個(gè) Segment 自己獨(dú)立的哈希表
        private final Map<K,V> map = new HashMap<>();
        // Segment 內(nèi)部加鎖機(jī)制，確保線程安全
        public synchronized V put(K key, V value) {
            return map.put(key, value);
        }
    }
    // 獲取 key 所屬的 Segment 的索引
    private int getSegmentIndex(K key) {
        int hash = hash(key.hashCode()); // 對(duì) hashcode() 進(jìn)行哈希
        int segmentMask = segments.length - 1; // mask 值
        return hash & segmentMask; // 按位與，定位具體的 Segment
    }
    public V put(K key, V value) {
        Segment s = segments[getSegmentIndex(key)];
        s.lock(); // 獲取 s 對(duì)應(yīng)的 Segment 的鎖
        try {
            return s.put(key, value); // 在 s 上進(jìn)行 put 操作
        } finally {
            s.unlock(); // 釋放 s 對(duì)應(yīng)的 Segment 的鎖
        }
    }
}

在實(shí)際的 ConcurrentHashMap 中，每個(gè) Segment 會(huì)使用一個(gè)獨(dú)立的哈希表來(lái)維護(hù)其內(nèi)部的數(shù)據(jù)，同時(shí)也具備自己的鎖機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部狀態(tài)的并發(fā)安全訪問(wèn)。這樣，不同線程訪問(wèn)不同的 Segment 時(shí)可以通過(guò)分段鎖機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)訪問(wèn)，從而提高了 ConcurrentHashMap 的并發(fā)性能和吞吐量。

三、ConcurrentHashMap 的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在 JDK 1.8 以前，ConcurrentHashMap 的實(shí)現(xiàn)采用了與 Hashtable 類(lèi)似的分段鎖機(jī)制，每個(gè) Segment 都對(duì)應(yīng)一個(gè) ReentrantLock 鎖，用于并發(fā)訪問(wèn)。

而在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 引入了 CAS（Compare and Swap）技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加高效的并發(fā)控制機(jī)制。CAS 是一種無(wú)鎖機(jī)制，可以避免線程爭(zhēng)搶鎖的情況。

我們以 put 操作為例，來(lái)看一下 ConcurrentHashMap 的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

• 首先計(jì)算 key 的哈希值；
• 根據(jù)哈希值找到對(duì)應(yīng)的 Segment；
• 獲取 Segment 對(duì)應(yīng)的鎖；
• 如果還沒(méi)有元素，就直接插入到 Segment 中；
• 如果已經(jīng)存在元素，就循環(huán)比較 key 是否相等；
• 如果 key 已經(jīng)存在，就根據(jù)要求更新 value；
• 如果 key 不存在，就插入新的元素（鏈表或者紅黑樹(shù)）。

上述操作中，步驟 2 到 3 相當(dāng)于加了一個(gè)悲觀鎖，在整個(gè)哈希表上加鎖，如果只有一個(gè) Segment，效果與 Hashtable 類(lèi)似；如果存在多個(gè) Segment，效果就相當(dāng)于使用了分段鎖機(jī)制，提高了并發(fā)訪問(wèn)性能。

四、使用場(chǎng)景案例

1. 高并發(fā)的計(jì)數(shù)器

ConcurrentHashMap 可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的計(jì)數(shù)器，例如記錄網(wǎng)站訪問(wèn)量、接口調(diào)用次數(shù)等。具體地，我們可以使用 ConcurrentHashMap 的 compute 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)操作，如下所示：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class Counter {
    private final ConcurrentHashMap<String, Integer> map;
    public Counter() {
        this.map = new ConcurrentHashMap<>();
    }
    public void increase(String key) {
        map.compute(key, (k, v) -> (v == null) ? 1 : v + 1);
    }
    public int get(String key) {
        return map.getOrDefault(key, 0);
    }
}

在上述代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè) Counter 類(lèi)，使用 ConcurrentHashMap 存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。具體地，我們使用 compute 方法實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器的增加操作，如果 key 不存在則新建一個(gè)值為 1 的計(jì)數(shù)器；否則將其遞增 1。通過(guò) get 方法可以獲取指定 key 對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器值。

2. 線程池任務(wù)管理

ConcurrentHashMap 還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)線程池任務(wù)的管理，例如記錄每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)、結(jié)果等信息。具體地，我們可以將一個(gè) ConcurrentHashMap 實(shí)例作為任務(wù)管理器，在任務(wù)執(zhí)行前將任務(wù)信息添加到該管理器中，然后再在任務(wù)完成后更新對(duì)應(yīng)的信息，如下所示：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class TaskManager {
    private final ConcurrentHashMap<String, TaskInfo> tasks;
    public TaskManager() {
        this.tasks = new ConcurrentHashMap<>();
    }
    public void addTask(String taskId, Runnable task) {
        // 添加任務(wù)信息
        tasks.put(taskId, new TaskInfo());
        // 提交任務(wù)到線程池
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        executor.submit(() -> {
            try {
                // 執(zhí)行任務(wù)
                task.run();
                // 更新任務(wù)狀態(tài)和結(jié)果
                TaskInfo info = tasks.get(taskId);
                info.setStatus(TaskStatus.COMPLETED);
                info.setResult("Task completed successfully!");
            } catch (Exception ex) {
                // 更新任務(wù)狀態(tài)和結(jié)果
                TaskInfo info = tasks.get(taskId);
                info.setStatus(TaskStatus.FAILED);
                info.setResult(ex.getMessage());
            }
        });
        // 關(guān)閉線程池
        executor.shutdown();
    }
    public TaskInfo getTaskInfo(String taskId) {
        return tasks.getOrDefault(taskId, new TaskInfo());
    }
}
enum TaskStatus {
    NEW,
    RUNNING,
    COMPLETED,
    FAILED;
}
class TaskInfo {
    private TaskStatus status;
    private String result;
    public TaskInfo() {
        this.status = TaskStatus.NEW;
        this.result = "";
    }
    public TaskStatus getStatus() {
        return status;
    }
    public void setStatus(TaskStatus status) {
        this.status = status;
    }
    public String getResult() {
        return result;
    }
    public void setResult(String result) {
        this.result = result;
    }
}

在上述代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè) TaskManager 類(lèi)，使用 ConcurrentHashMap 存儲(chǔ)任務(wù)信息。具體地，我們定義了一個(gè) TaskInfo 類(lèi)來(lái)表示任務(wù)信息，其中包括任務(wù)狀態(tài)和結(jié)果兩個(gè)屬性。在添加任務(wù)時(shí)，我們新建一個(gè) TaskInfo 實(shí)例并添加到 ConcurrentHashMap 中，然后在異步執(zhí)行任務(wù)的線程中更新其狀態(tài)和結(jié)果；同時(shí)我們使用 ExecutorService 來(lái)管理并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)。通過(guò) getTaskInfo 方法可以獲取指定 taskId 對(duì)應(yīng)的任務(wù)信息。

3. 緩存管理器

ConcurrentHashMap 還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)緩存管理器，例如存儲(chǔ)經(jīng)常使用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置等信息，從而避免頻繁的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢或網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。具體地，我們可以使用 ConcurrentHashMap 存儲(chǔ)緩存數(shù)據(jù)，并設(shè)定緩存過(guò)期時(shí)間，如下所示：

import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class CacheManager<K, V> {
    private final Map<K, CacheEntry<V>> cache;
    public CacheManager() {
        this.cache = new ConcurrentHashMap<>();
    }
    public void put(K key, V value, long ttl) {
        // 添加緩存項(xiàng)，同時(shí)記錄當(dāng)前時(shí)間戳和緩存生存時(shí)間
        CacheEntry<V> entry = new CacheEntry<>(value, System.currentTimeMillis(), ttl);
        cache.put(key, entry);
    }
    public V get(K key) {
        // 獲取緩存項(xiàng)和其緩存生存時(shí)間
        CacheEntry<V> entry = cache.get(key);
        // 檢查緩存項(xiàng)是否過(guò)期，如果過(guò)期則刪除緩存項(xiàng)并返回 null
        if (entry != null && !entry.isExpired()) {
            return entry.getValue();
        } else {
            cache.remove(key);
            return null;
        }
    }
    static class CacheEntry<V> {
        private final V value;
        private final long timestamp;
        private final long ttl;
        public CacheEntry(V value, long timestamp, long ttl) {
            this.value = value;
            this.timestamp = timestamp;
            this.ttl = ttl;
        }
        public V getValue() {
            return value;
        }
        public boolean isExpired() {
            return System.currentTimeMillis() - timestamp > ttl;
        }
    }
}

在上述代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè) CacheManager 類(lèi)，使用 ConcurrentHashMap 存儲(chǔ)緩存數(shù)據(jù)。具體地，我們定義了一個(gè) CacheEntry 類(lèi)來(lái)表示緩存項(xiàng)，其中包括值、時(shí)間戳和緩存生存時(shí)間三個(gè)屬性。在添加緩存項(xiàng)時(shí)，我們新建一個(gè) CacheEntry 實(shí)例并添加到 ConcurrentHashMap 中，然后在獲取緩存項(xiàng)時(shí)檢查其是否過(guò)期；如果未過(guò)期則返回其值，否則刪除緩存項(xiàng)并返回 null。

以上就是ConcurrentHashMap 原理及使用詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于ConcurrentHashMap 原理及用法的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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