一. 面试题及剖析

1. 今日面试题

你了解过java.util.concurrent并发包中的哪些API？

你了解ConcurrentHashMap吗？

ConcurrentHashMap的特点是什么？

ConcurrentHashMap的底层原理是什么？

ConcurrentHashMap中涉及到了哪些数据结构?

ConcurrentHashMap为什么是线程安全的？

HashMap与ConcurrentHashMap的区别有哪些？

为什么ConcurrentHashMap的读操作不需要加锁？

2. 题目剖析

今天的题目依然很多，而且也都是关于集合的。从名字上来看，今天的集合与之前的HashMap集合也具有一定的关系，他俩可以算是“亲兄弟”，在用法上几乎相同，性能上也差不太多，但是在线程安全性方面比HashMap要优秀一些。所以涉及到多线程并发操作时，经常需要用到这个ConcurrentHashMap，我们面试时也会经常被问到ConcurrentHashMap与HashMap的区别。

ConcurrentHashMap是我们工作和面试时常用常考的一个集合，所以也要请各位重点掌握，接下来 壹哥 就带各位详细的梳理一下ConcurrentHashMap的知识脉络。

二. 背景概述

在开始复习ConcurrentHashMap之前，壹哥 先给各位简单陈述一些“故事背景”，以此来弄明白我们为什么要学习一个全新的ConcurrentHashMap，就用之前的HashMap不行吗？为什么还要学习一个新的集合呢？这里我们先来回顾一下HashMap中存在的问题。

1. JDK 8之前HashMap存在的问题

HashMap是我们日常开发中最常见的一种集合容器，它以键值对的形式来完成对数据的存储，但众所周知，它在高并发的情境下是不安全的！

比如当我们进行put(k,v)操作时，如果触发了扩容操作，就需要将原数组中的内容重新拷贝到新的扩容数组中，并需要进行rehash操作。但是在进行扩容的这个过程中，如果其他线程也在进行put()操作，而且恰好有两个元素的 hash 值相同，就会出现hash冲突，此时就需要在同一数组下用链表来进行表示。

我们知道，在JDK 8之前的HashMap中，是采用 头插法 来解决链表中的冲突节点的，而多线程高并发操作同一条链表时有可能直接导致 闭链，引起get(k)操作时出现 死循环。

2. JDK 8之后HashMap的改进

当然，JDK 8以后，对 HashMap 的内部作了很大的改进，底层采用 数组+链表+红黑树 的数据结构来存储数据。并且rehash 的过程也进行了改动，不再直接操作原链，而是基于 复制 算法的思想，定义了两条链表分别完成对原链中结点的分离操作。另外还把 头插法 改为了 尾插法，所以即使在多线程环境下也是较为安全的。

但HashMap毕竟不是并发容器，除非源码中进行大改，否则还是不能应对高并发的场景。即使没有因多线程访问而造成什么问题，但效率也会受到影响。例如在多线程场景下，同时添加元素的时候可能会造成数据的丢失，遍历Map时可能会触发并发修改异常等。

总之，传统的HashMap在单线程非并发环境下使用起来是比较好的，但是在多线程并发环境下就存在着不少问题，既然如此，我们就要想办法解决或者规避这些存在的问题。

3. 并发安全的集合容器

那如何解决多线程并发操作集合时存在的这些问题呢？有没有较为安全的 Map集合呢？当然是有的，目前Java给咱们提供了3种相对安全的 Map集合操作方式，分别如下：

• HashTable
• Collections.synchronizedMap(map)
• ConcurrentHashMap

对于上面提到的这3种并发集合操作方式，我们先来看看前两种。这两种其实都是利用 粗粒度的同步方式，在高并发情况下，执行性能比较低，接下来 壹哥 简单分析一下它们存在的问题。

Hashtable：HashTable是在put()、get()、size()等各种方法上添加 “synchronized” 锁，来保证线程安全，这会导致所有的并发操作都要竞争同一把锁，一个线程在进行同步操作时，其他线程只能等待，大大降低了并发操作的效率。

Collections.synchronizedMap()：Collections提供了一个同步包装器方法synchronizedMap()，它虽然在方法中没有添加synchronized锁，但是 利用了 “this” 作为互斥的 mutex，所以严格地说，synchronizedMap跟 HashTable 一样，对性能并没有实际的提升改进。

所以后来Java就提供了另一个专门适合多线程高并发环境中的集合--ConcurrentHashMap！

因为ConcurrentHashMap就成了本文的主角，相对前两种Map集合的操作方式来说，其在设计思想上有了较大的变化，极大的提高了 Map 的并发操作性能。

ConcurrentHashMap是 HashMap 的并发版本，它是线程安全的，并且在高并发环境下，性能比 HashMap 高很多。

但就 ConcurrentHashMap本身的实现来说，不同JDK版本之间又有着较大的差异，典型的就是 JDK 7 和 JDK 8 这两个版本，可以说是发生了翻天覆地的变化。那么本文会基于这两个版本，来讲解ConcurrentHashMap的实现及区别，但我的重点肯定是放在 JDK 8 这个版本上，因为JDK 7 已经成为了过去式，我们没必要深入研究，仅做了解即可。

所以本文主要基于JDK 8，从ConcurrentHashMap的主要属性、特征、构造方法、put过程、扩容过程、size过程、get过程等方面，结合源码深入讲解ConcurrentHashMap的工作原理。

三. ConcurrentHashMap简介

本节相关面试题:

ConcurrentHashMap的特点是什么？

你了解过java.util.concurrent并发包中的哪些API？

1. ConcurrentHashMap概念特征

由于在多线程环境下，常规的HashMap可能会在数组扩容及重哈希时出现 死循环、脏读 等线程安全问题，虽然有HashTable、Collections.synchronizedMap()可以取代HashMap进行并发操作，但因它们都是利用一个 全局的synchronized锁 来同步不同线程之间的并发访问，因此性能较差。

所以Java就从JDK 1.5版本开始，在J.U.C(java.util.concurrent并发包)中引入了一个高性能的并发操作集合---ConcurrentHashMap(可以简称为CHM)。该集合在读数据时不需要加锁，写数据时会加锁，但锁的粒度较小，不会对整个集合加锁。而其内部又大量的利用了 volatile，final，CAS等lock-free(无锁并发)技术，减少了锁竞争对于性能的影响，具有更好的写并发能力，但降低了对读一致性的要求。因此既保证了并发操作的安全性，又确保了读、写操作的高性能，可以说它的并发设计与实现都非常的精巧。

另外ConurrentHashMap中的key与value都不能为null，否则会产生空指针异常！

2. ConcurrentHashMap类关系

ConcurrentHashMap与HashMap具有相同的父类AbstractMap，他俩可以说是“亲兄弟”，所以ConcurrentHashMap在一般的特性和使用上与HashMap基本是一致的，甚至很多底层原理也是相似的。

但两者所在的包是不同的，ConcurrentHashMap是在java.util.concurrent包中，HashMap是在java.util包中，我们可以参考下图：

以上所述的ConcurrentHashMap概念及特征，是不区分版本的，但实际上不同版本的ConcurrentHashMap内部实现差异很大，所以面试时经常会被问到不同版本之间的差异、各自特征，接下来 壹哥 会针对JDK 7 与 JDK 8 这两个经典版本分别进行阐述。

四. 不同JDK版本中的ConcurrentHashMap对比

1. JDK 7的ConcurrentHashMap小结

JDK 7中的ConcurrentHashMap，当长度过长时，碰撞会很频繁的发生，链表的增改删查操作都会消耗很长的时间，影响性能。

JDK 7中的ConcurrentHashMap主要使用Segment分段锁来实现并发控制，把Map分割成若干个Segment。在put()时需要锁住Segment，get()时候不需要加锁，使用volatile来保证可见性。

当统计全局数量时(比如size)，首先会尝试多次计算modCount来确定。这几次尝试时，会判断是否有其他线程进行了修改操作，如果没有，则直接返回size；如果有，则需要依次锁住所有的Segment来计算。

2. JDK 8的ConcurrentHashMap小结

• 不采用Segment而是采用Node，减小了锁的粒度；
• 设计了MOVED状态，在resize过程中，线程2还在put数据时，线程1会帮助resize；
• 使用3个CAS操作来确保Node中的一些原子性操作，这种方式代替了锁；
• sizeCtl的不同值代表了不同含义，起到了控制的作用；
• 使用synchronized而不是ReentrantLock。

五. 结语

本篇文章，壹哥 暂时先对ConcurrentHashMap做个简单介绍。关于ConcurrentHashMap的底层原理、数据结构、扩容机制、冲突解决等内容，受限于篇幅，壹哥 会分成若干篇文章进行讲解，欢迎大家持续关注。今天的内容你都记住了吗？