实现 Java 的 ConcurrentHashMap
1. 引言
在多线程的环境中，为了保证数据的一致性和并发访问的安全性，我们需要使用线程安全的数据结构。Java 提供了许多线程安全的集合类，其中 ConcurrentHashMap 是一个常用的高效并发哈希表实现。本文将教会你如何实现一个类似于 Java 的 ConcurrentHashMap 的数据结构。
2. 流程概述
实现一个类似于 Java 的 ConcurrentHashMap 可以分为以下几个步骤：
- 定义一个哈希表的数据结构；
- 实现哈希函数，将键映射到哈希表中的索引位置；
- 处理哈希冲突，解决不同键映射到相同索引位置的情况；
- 实现线程安全的插入和获取操作。
下面我们将逐步进行实现。
3. 定义哈希表数据结构
首先，我们需要定义一个哈希表的数据结构，用于存储键值对。我们可以使用一个数组和链表的组合来实现。
class Node<K, V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile Node<K, V> next;
Node(int hash, K key, V value, Node<K, V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
}
@SuppressWarnings("unchecked")
class ConcurrentHashMap<K, V> {
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
private Node<K, V>[] table;
ConcurrentHashMap() {
table = new Node[DEFAULT_CAPACITY];
}
}
上面的代码定义了一个节点类 Node，该类包含哈希值 hash、键 key、值 value 和下一个节点 next。ConcurrentHashMap 类有一个默认容量为 16 的哈希表，用于存储键值对。
4. 实现哈希函数
哈希函数将键映射到哈希表中的索引位置。我们可以使用 Java 提供的 hashCode 方法来生成哈希值，然后通过取模运算将哈希值映射到数组的索引位置。
class ConcurrentHashMap<K, V> {
// ...
private int hash(K key) {
return key == null ? 0 : key.hashCode();
}
private int index(int hash, int length) {
return hash & (length - 1);
}
}
在上述代码中，hash 方法用于获取键的哈希值，index 方法用于将哈希值映射到数组的索引位置。
5. 处理哈希冲突
当不同的键映射到相同的索引位置时，我们需要处理哈希冲突。一种常用的方法是使用链表来解决冲突。当新的键值对需要插入到相同索引位置时，我们将其添加到链表的末尾。
class ConcurrentHashMap<K, V> {
// ...
private void put(K key, V value) {
int hash = hash(key);
int index = index(hash, table.length);
Node<K, V> newNode = new Node<>(hash, key, value, null);
if (table[index] == null) {
table[index] = newNode;
} else {
Node<K, V> current = table[index];
while (current.next != null) {
current = current.next;
}
current.next = newNode;
}
}
}
在上述代码中，put 方法用于插入键值对。如果该索引位置为空，则直接插入新节点；否则，我们遍历链表直到找到最后一个节点，并将新节点添加到链表末尾。
6. 实现线程安全的插入和获取操作
为了保证线程安全性，我们需要使用一些同步机制来控制并发访问。在这里，我们使用简单粗暴的加锁方式来实现。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class ConcurrentHashMap<K, V> {
// ...
private final ReentrantLock[] locks = new ReentrantLock[DEFAULT_CAPACITY];
ConcurrentHashMap() {
for (int i = 0; i < DEFAULT_CAPACITY; i++) {
locks[i] = new ReentrantLock();
}
}
private void put(K key, V value) {
int
