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concurrenthashmap加锁机制及线程安全原理

ConcurrentHashMap 是一种线程安全的哈希表实现,它在 Java 并发编程中非常常用。它的线程安全原理主要基于分段锁和 CAS 操作。ConcurrentHashMap通过使用锁分割技术、不可变和易失性、高效的定位操作以及针对不同操作的特定处理方式,实现了线程安全的并发访问。

  1. 分段锁:

    ConcurrentHashMap 通过将数据分成多个段,并为每个段分配一个锁来实现线程安全。这种分段锁策略允许多个线程同时访问不同的段,从而实现更高的并发性能。当一个线程需要访问某个段时,它只需要获取该段的锁,而不会阻塞其他线程访问其他段。

  2. CAS 操作:

    ConcurrentHashMap 还使用 CAS(Compare-and-Swap)操作来保证线程安全。CAS 是一种无锁算法,它通过比较和交换内存中的值来实现原子操作。在 ConcurrentHashMap 中,CAS 操作用于实现 put、remove 等操作,确保在多线程环境下数据的正确性。

  3. 哈希算法和红黑树:

    ConcurrentHashMap 使用高效的哈希算法将键映射到相应的段中。当发生哈希冲突时,它使用链表或红黑树来存储相应的值。链表用于解决哈希冲突,而红黑树则用于优化查找操作,提高性能。

  4. 数据结构和读/写操作:

    ConcurrentHashMap 的数据结构由多个段组成,每个段包含一个链表或红黑树。在读操作中,ConcurrentHashMap 可以同时进行多个读操作而不需要加锁,因为它使用易失性变量来保证数据的可见性。在写操作中,它需要获取相应的段锁,并在必要时进行 CAS 操作来保证数据的原子性和一致性。

  1. 锁分割技术:ConcurrentHashMap通过使用锁分段来解决效率低下的问题。它将数据分成段并为每个段分配一个锁。这种多锁策略可以防止访问不同数据段的线程之间的锁竞争,从而提高并发访问效率。
  2. 不可变和易失性:ConcurrentHashMap允许同时进行多个读取操作,无需锁定。同时,它的数据结构几乎是不可变的,这保证了在读操作期间数据的一致性。
  3. 定位操作:ConcurrentHashMap使用哈希算法定位段,并进行重新哈希,以减少哈希冲突并提高访问效率。每个段的哈希槽数量为2的幂,通过位运算实现高效定位。
  4. 数据结构:ConcurrentHashMap由段组成,每个段充当专门的哈希表。Segment类包含计数、modCount、阈值、表和loadFactor等基本元素。
  5. 删除和获取操作:在执行删除和获取操作时,ConcurrentHashMap会根据具体情况锁定相应的段。对于删除操作,如果找到相应的节点,则会通过复制前面的节点并更新表来删除它。获取操作则委托给Segment的get方法,由于使用了易失性变量(计数和值),读操作不需要锁定。
  6. 看跌操作:ConcurrentHashMap的put操作被委托给Segment的put方法。在修改期间,为了线程安全,锁定是必要的。当超过阈值时,将完成HashEntry数组的扩展。段的计数在最后一步中更新,以保持正确的可见性。
  7. Size()操作:ConcurrentHashMap的size()操作计算所有段的大小并对它们求和。它尝试在不锁定的情况下对段大小进行两次计数以提高效率。modCount变量用于检查计数过程中容器是否发生变化。