ConcurrentHashMap 超详细详解

ConcurrentHashMap 超详细详解

一、基础定位

ConcurrentHashMap是 Java 线程安全的哈希表，替代老旧线程安全集合Hashtable，同时弥补HashMap并发下死循环、数据丢失问题：

  1. HashMap：并发读写会链表循环、数据覆盖，线程不安全；
  2. Hashtable：全表加synchronized锁，粒度极大，并发性能极差；
  3. ConcurrentHashMap：分段锁 / 分段 CAS+synchronized，锁粒度极小，高并发读写性能优秀。

版本区分核心：

  • JDK7：分段锁 Segment，底层数组 + 链表，多段独立锁；
  • JDK8/JDK9/JDK17：取消 Segment，CAS + 节点 synchronized，底层数组 + 链表 / 红黑树，锁粒度降到哈希桶单个节点。

二、JDK 7 实现原理（过时，仅做对比理解）

1. 底层结构

plaintext

[Segment[HashEntry链表], Segment[], ...]
  1. 外层：Segment[]分段数组，默认 16 段，每段独立锁；
  2. 内层：每个 Segment 内部是HashEntry<K,V>[]哈希桶，桶下挂单向链表；
  3. Segment继承ReentrantLock，自身就是锁对象。

2. 并发机制

  • 写操作（put/remove）：先定位 key 对应 Segment，调用lock()独占锁，操作完成释放；只会锁住一个分段，其他分段并发读写不受影响；
  • 读操作（get）：无锁，HashEntry 的value、next用volatile修饰，保证内存可见性，读到最新值；仅 value 为 null 时加锁重读；
  • 扩容：单段独立扩容，互不干扰。

缺陷

  1. 默认分段 16，并发上限固定；分段越多内存占用越高；
  2. 链表查询效率低，hash 冲突严重时 O (n)；
  3. size () 统计总数需要锁住全部 Segment，并发统计开销大。

三、JDK 8 核心实现（主流版本，重点）

3.1 底层数据结构

和 HashMap 结构统一：数组 (Node []) + 单向链表 + 红黑树

  1. 哈希桶数组：transient volatile Node<K,V>[] table，volatile 保证数组可见；
  2. Node：普通链表节点，val、next均为volatile；
  3. TreeNode：红黑树节点，冲突链表长度≥8 转红黑树，≤6 退回链表；
  4. ForwardingNode：扩容标记节点，table 扩容时旧桶挂载该节点，线程碰到协助扩容；
  5. ReservationNode：computeIfAbsent 计算占位节点。

3.2 并发核心机制：CAS + synchronized（取消 Segment）

锁粒度从分段缩小到单个哈希桶头节点，并发能力大幅提升：

  1. 无锁 CAS：初始化 table、空桶插入新节点、扩容转移节点，全部用 CAS 乐观锁，无阻塞；
  2. 桶头 synchronized 锁：哈希桶已有数据时，锁住当前桶的首节点，仅阻塞同一个 hash 桶的并发操作，不同桶完全并发；
  3. volatile 关键字：table、节点 val/next、size 计数器保证多线程内存可见。
CAS 关键方法

java

运行

// 比较并替换数组指定下标节点，成功返回true static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> c, Node<K,V> v) // 获取指定下标节点 static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) // 设置指定下标节点 static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v)

3.3 核心属性

java

运行

// 哈希表数组，初始化懒加载（第一次put才创建） transient volatile Node<K,V>[] table; // 扩容时临时转移数组，非扩容时为null private transient volatile Node<K,V>[] nextTable; // 计数器控制：高16位记录size，低16位存储扩容阈值/标记 private transient volatile long baseCount; // 扩容阈值，容量*负载因子（默认0.75） private transient int threshold; // 扩容控制标记：负数=扩容中，正数=扩容并行线程数 private transient volatile int sizeCtl;

sizeCtl 状态说明：

  • 0：table 未初始化；

  • 0：初始化 / 扩容阈值；

  • -1：正在初始化；
  • 负数（n<=-2）：-(1+扩容线程数)，代表多线程协同扩容。

3.4 put () 完整流程（核心源码逻辑）

java

运行

public V put(K key, V value) { return putVal(key, value, false); } final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { // 不允许key/value为null（HashMap允许key一个null、多个null value） if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); // 1. 计算hash，扰动函数减少冲突 int hash = spread(key.hashCode()); int binCount = 0; for (Node<K,V>[] tab = table;;) { // 自旋循环，直到插入成功 Node<K,V> f; int n, i, fh; // 分支1：table未初始化，CAS初始化数组 if (tab == null || (n = tab.length) == 0) tab = initTable(); // 分支2：当前桶为空，CAS直接新建Node放入桶，成功跳出循环 else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) break; } // 分支3：当前桶是ForwardingNode，说明正在扩容，当前线程协助扩容 else if ((fh = f.hash) == MOVED) tab = helpTransfer(tab, f); // 分支4：桶已有数据，锁住桶头节点f，单桶独占锁 else { V oldVal = null; synchronized (f) { // 双重校验：防止锁获取前桶头节点被替换 if (tabAt(tab, i) == f) { // 链表节点 if (fh >= 0) { binCount = 1; // 遍历链表，key存在则覆盖，不存在尾插 for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) { K ek; if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) { oldVal = e.val; if (!onlyIfAbsent) e.val = value; break; } Node<K,V> pred = e; if ((e = e.next) == null) { pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null); break; } } } // 红黑树节点 else if (f instanceof TreeBin) { Node<K,V> p; binCount = 2; // 红黑树插入 if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val; if (!onlyIfAbsent) p.val = value; } } } } // 链表长度≥8，转为红黑树 if (binCount != 0) { if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; } } } // 累加元素数量，触发扩容判断 addCount(1L, binCount); return null; }

关键特性：

  1. 禁止 null key /null value：HashMap 允许，ConcurrentHashMap 直接抛 NPE，避免并发下空值歧义；
  2. 懒加载：第一次 put 才初始化 table，节省内存；
  3. 空桶无锁 CAS 插入，性能极高；
  4. 遇到扩容节点主动协助转移，多线程并行扩容；
  5. 仅锁住单个桶头，其他桶并发读写完全不受阻塞。

3.5 get () 无锁读取流程

读操作全程不加锁，依靠volatile可见性保证数据实时：

  1. 计算 hash 定位桶下标；
  2. 获取桶头节点，volatile 读取最新引用；
  3. 链表 / 红黑树遍历匹配 key，直接返回 val；
  4. 若读到 ForwardingNode（扩容中），调用 find 协助读取转移中的数据。

无锁设计让读操作几乎无性能损耗，高并发读场景优势巨大。

3.6 扩容机制（transfer 多线程协同扩容）

  1. 触发条件：addCount计数后元素数量 ≥ threshold（容量 * 0.75）；
  2. 扩容容量：原容量 * 2；
  3. 多线程协同：
    • 单线程扩容效率低，其他线程 put/get 时发现ForwardingNode，主动进入helpTransfer分担桶迁移任务；
    • 每个线程分配一段哈希桶迁移，迁移完成标记 ForwardingNode；
  4. 迁移逻辑：每个桶内链表拆分为低位链表（原下标）、高位链表（原下标 + 旧容量），分别挂载到新 table；
  5. 扩容期间读写正常可用，不会阻塞全局。

3.7 size () 元素总数统计

JDK7 需要锁住全部 Segment，性能差； JDK8 采用分段计数器 baseCount + CounterCell 数组（类似 LongAdder）：

  1. 低并发：直接 CAS 修改baseCount；
  2. 高并发竞争：线程分散写入不同CounterCell；
  3. size () = baseCount + 所有 CounterCell 累加和； 无需加全局锁，统计性能大幅提升。

四、核心方法与并发特性对比

1. 读写分离优势

  • 读：无锁，volatile 可见；
  • 写：仅锁单个哈希桶，不同桶并行写入； 远优于 Hashtable 全局锁。

2. 常用方法并发语义

  1. get(key)：无阻塞，返回最新可见值；
  2. put(k,v)：覆盖旧值，单桶互斥；
  3. putIfAbsent(k,v)：key 不存在才插入，原子操作；
  4. remove(k)/remove(k,v)：原子删除，锁桶头；
  5. computeIfAbsent(k, func)：不存在则执行函数计算 value 插入，全程原子；
  6. compute(k, func)：存在则更新，原子操作；
  7. merge(k, val, func)：合并更新，原子； 以上复合操作都是原子操作，并发下不会出现数据竞争问题，HashMap 无原子复合方法。

五、和 HashMap、Hashtable 完整对比

表格

特性HashMapHashtableConcurrentHashMap(JDK8)
线程安全不安全安全安全
锁机制无锁方法全量 synchronizedCAS + 桶节点 synchronized
null 键值允许 1 个 null key，任意 null value不允许 null不允许 null key/value
底层结构数组 + 链表 + 红黑树数组 + 链表数组 + 链表 + 红黑树
并发性能高（单线程）极低（并发）极低，全局锁极高，细粒度锁
扩容单线程单线程多线程协同扩容
复合原子操作无有但全局锁丰富原子 API
初始容量161116
负载因子0.750.750.75

六、常见面试高频考点

  1. 为什么废弃 Segment 分段锁？Segment 本质是 ReentrantLock，内存开销大；并发上限固定 16；JDK8 锁粒度细化到单个桶，并发度更高、内存占用更小。

  2. 为什么不允许 null key/value？并发场景下，get 返回 null 无法区分：key 不存在 /value 本身是 null；无锁读无法同步判断，容易产生业务逻辑歧义。

  3. 扩容时其他线程读写是否阻塞？不会全局阻塞：读可正常访问旧 table，写线程会协助扩容，扩容完成切换新表，全程可用。

  4. synchronized 锁桶头为什么安全？同一 hash 桶的元素只会竞争同一个头节点锁；不同桶互不干扰，锁粒度极小；插入前双重校验桶头引用，防止 CAS 替换后锁失效。

  5. 并发下 HashMap 死循环，ConcurrentHashMap 为什么不会？HashMap 扩容单线程头插法，并发转移链表形成循环； ConcurrentHashMap 扩容多线程尾拆分链表，且迁移时加桶锁，不会出现环形链表。

  6. size () 为什么不用加全局锁？使用 LongAdder 思想，baseCount+CounterCell 分散计数，牺牲微小精度换取超高并发统计性能；最终求和是近似值（统计过程有新增删除），无法做到精准瞬时总数。

七、使用场景与注意事项

使用场景

  1. 多线程同时读写哈希表，替代 Hashtable、Collections.synchronizedMap(new HashMap())；
  2. 高并发缓存、本地消息映射、多线程计数映射。

注意事项

  1. 复合操作优先使用内置原子方法（putIfAbsent/computeIfAbsent），不要if(get()==null) put()，非原子会并发覆盖； 错误示例：

    java

    运行

    // 线程不安全 if (map.get("key") == null) { map.put("key", 1); } // 正确原子写法 map.computeIfAbsent("key", k -> 1);
  2. 迭代器是弱一致性，不是快速失败（fail-fast）：遍历期间其他线程新增 / 删除，迭代器不会抛ConcurrentModificationException，可能读到部分新数据；HashMap 迭代器 fail-fast，并发修改直接报错；
  3. 大批量数据读写可合理设置初始容量，减少频繁扩容开销；
  4. 不要存储 null，否则直接 NPE。