【多线程】线程安全集合类，ConcurrentHashMap实现原理

【多线程】线程安全集合类，ConcurrentHashMap实现原理

在多线程编程中，线程安全是一个非常重要的问题。本文将深入探讨Java中线程安全集合类的实现原理，重点介绍ConcurrentHashMap的优化策略。

线程安全集合类

在Java中，许多常用的集合类如ArrayList、Queue、HashMap等都是线程不安全的。而像Vector、Stack、Hashtable这样的线程安全集合类虽然内置了synchronized，但并不推荐使用，因为它们在任何操作下都会加锁，即使是单线程环境下也会产生不必要的性能开销。

解决方案

多线程环境使用顺序表

1. 自己加锁

   通过给ArrayList套壳的方式，为关键方法添加锁，确保线程安全。

   public class MyArrayList<T> {
       private final ArrayList<T> list = new ArrayList<>();
       private final Object lock = new Object();
   
       public void add(T element) {
           synchronized (lock) {
               list.add(element);
           }
       }
   
       // 其他方法类似
   }
   

2. 使用CopyOnWriteArrayList

   这种方式采用了"写时复制"的策略。当需要修改顺序表时，会先复制一份新的顺序表，然后在新表上进行修改，最后通过原子操作修改引用指向。这种方式避免了锁的使用，但对频繁修改和大数据量的场景不太适用。

多线程环境使用队列

1. 自己加锁
2. 使用BlockingQueue

多线程环境使用哈希表

HashMap是线程不安全的，而Hashtable虽然线程安全但性能不佳。更推荐使用ConcurrentHashMap，它通过以下方式优化了线程安全问题：

1. 缩小锁的粒度

   ConcurrentHashMap为每个链表分配一个锁，而不是像Hashtable那样使用全局锁。这样即使多个线程操作不同链表，也不会产生锁冲突。

   

   每个链表就是一个桶，这种设计被称为"锁桶"。从Java 8开始，每个链表都有一把独立的锁。

2. 充分使用CAS

   ConcurrentHashMap在某些操作中使用了CAS（Compare and Swap）原子操作，进一步减少了锁的使用。

3. 优化扩容操作

   HashMap在扩容时会一次性完成所有元素的迁移，这可能导致性能瓶颈。而ConcurrentHashMap采用"化整为零"的策略，每次只迁移一部分元素，确保操作时间不会过长。

   在扩容过程中，同时存在新旧两份哈希表：

• 插入操作：直接在新表上插入
• 删除操作：新旧表都删除
• 查找操作：需要在新旧表中都查找

总结

ConcurrentHashMap通过缩小锁粒度、使用CAS操作和优化扩容策略，实现了高性能的线程安全。这些优化策略不仅提高了并发性能，还避免了不必要的锁竞争，是多线程环境下处理哈希表的首选方案。