Hello，大家好，我是小米，一个热爱技术的程序大哥哥！今天咱们聊点有深度的——Java面试中常被问到的ConcurrentHashMap底层实现原理。相信这个问题对许多社招面试的小伙伴来说不陌生，答得好绝对能让面试官眼前一亮！不卖关子了，咱们开讲吧~
开场故事：一次猝不及防的面试
先来分享一个我朋友小明的故事。小明是个五年Java开发工程师，最近跳槽准备面试。一场技术面试中，面试官突然发问：
“说说ConcurrentHashMap的实现原理吧，具体点！”
小明心里一惊：平时用得多，线程安全、并发高效是它的卖点，可是“具体点”是啥意思？他说了几句，比如"它通过分段锁实现并发控制"，但细节部分却卡住了，最后只拿到个“我们再联系你”的回复。
小明很懊悔，回家后就狠狠地研究了一番ConcurrentHashMap。这次我们一起来深入了解它的奥秘，避免类似的情况发生！
从痛点出发：HashMap线程不安全
在多线程环境中，HashMap的线程安全问题可能会让你大翻车。比如，多个线程同时对HashMap进行put操作，可能导致数据丢失、死循环，甚至程序崩溃。为了应对这些问题，Java提供了线程安全的并发集合类：ConcurrentHashMap。
那它是怎么解决这些问题的呢？我们一层层剖析。
JDK 1.7：分段锁（Segment）
在JDK 1.7中，ConcurrentHashMap的底层结构是分段锁（Segment）+ HashEntry数组的组合。
1、数据结构
- Segment：类似于一个小型的HashMap，每个Segment维护一部分数据，独立加锁。
- HashEntry[]：每个Segment内部使用链表来存储键值对。
2、锁的设计
- 每个Segment有自己的独立锁。
- 多线程操作时，只需锁住对应的Segment，而不是锁住整个Map，从而实现了更高的并发性能。
3、核心优点
- 分而治之：通过将数据分成多个Segment，多个线程可以同时操作不同的Segment，从而减少锁竞争。
- 线程安全：每个Segment内部有自己的锁，确保线程安全。
示例代码
- 16：默认分成16个Segment。
- 0.75f：负载因子。
- 16：每个Segment初始容量。
但1.7的实现有一个问题：Segment本质上还是一个锁，锁的粒度不够细，即使只操作某一个Segment，内部也有可能产生竞争。
JDK 1.8：CAS+Synchronized
在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap做了很大的改进，摒弃了Segment，改用CAS（Compare-And-Swap）+ Synchronized的方式，进一步提升并发性能。
1、数据结构
- Node[]：底层数据结构是一个Node数组，每个Node是一个键值对。
- 链表/红黑树：当冲突过多（链表长度超过8）时，链表会转化为红黑树，提高查询效率。
2、无锁化（CAS）
- 使用CAS操作来实现高效无锁的插入和更新。
- CAS保证了原子性：只有当前值和预期值相等时，才会更新成功。
3、锁的优化
- 对于复杂操作（如扩容、红黑树转换），使用Synchronized加锁，但锁的粒度更细，只锁住当前桶（Node[] 的某个位置）。
细节探讨：核心实现原理
1. put方法
put方法中涉及的关键步骤：
- 定位桶的位置：通过key的hash值计算出在Node[]中的索引。
- CAS插入节点：
- 如果该位置为空，使用CAS将新节点放入。
- 如果已有节点，进入链表或树中寻找合适位置。
- 链表转红黑树：当链表长度大于8时，转换为红黑树。
示例代码：
- 定位key1的桶。
- CAS尝试插入，成功则返回。
- 若冲突，则检查链表长度，必要时转换为红黑树。
2. get方法
get方法的实现非常高效，无需加锁：
- 通过key的hash值找到对应桶。
- 遍历链表或树，找到匹配的key，返回value。
示例代码：
- 定位桶。
- 无锁遍历链表或红黑树，快速返回。
3. 扩容机制
扩容是ConcurrentHashMap中较复杂的部分：
- 触发条件：当元素数量超过Node[]的容量 * 负载因子时，触发扩容。
- 扩容策略：将容量扩大为原来的2倍。
- 迁移数据：分段迁移，每次迁移部分桶，避免一次性扩容导致性能抖动。
总结：ConcurrentHashMap的优点
- 高并发性能：通过CAS和细粒度锁设计，减少锁竞争。
- 线程安全：读操作无锁，写操作锁住最小粒度。
- 扩容高效：分段扩容，避免阻塞整个结构。
面试官的考察重点
基本原理：能说明JDK 1.7和1.8的主要差异。
核心方法实现：熟悉put、get和扩容的关键逻辑。
线程安全机制：理解CAS和Synchronized的结合使用。
小米的小贴士
- 理解CAS：多线程编程中的核心工具，推荐好好研究它的实现。
- 源码阅读：花时间研究ConcurrentHashMap的源码，面试中可以脱颖而出。
- 多线程实践：在实际项目中多用多线程技术，积累经验。
END
好啦，今天的分享就到这里。如果你觉得这篇文章对你有帮助，别忘了点赞、分享给朋友哦！我是小米，一个爱分享的程序大哥哥，我们下次再见啦~
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