ConcurrentHashMap集合的实现与原理分析

哈喽，各位小伙伴们，你们好呀，我是喵手。

今天我要给大家分享一些自己日常学习到的一些知识点，并以文字的形式跟大家一起交流，互相学习，一个人虽可以走的更快，但一群人可以走的更远。

我是一名后端开发爱好者，工作日常接触到最多的就是Java语言啦，所以我都尽量抽业余时间把自己所学到所会的，通过文章的形式进行输出，希望以这种方式帮助到更多的初学者或者想入门的小伙伴们，同时也能对自己的技术进行沉淀，加以复盘，查缺补漏。

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如下是Java集合体系架构图，近期几期内容都是围绕该体系进行知识讲解，以便于同学们学习Java集合篇知识能够系统化而不零散。

前言

随着多线程编程的普及，线程安全的数据结构变得尤为重要。Java提供了许多线程安全的集合类，其中之一就是ConcurrentHashMap。本文将详细介绍ConcurrentHashMap的源代码解析、应用场景案例、优缺点分析、类代码方法介绍和测试用例。

摘要

本文将通过对ConcurrentHashMap的深入分析，探讨其在多线程编程中的应用场景，并对其优缺点进行分析。同时，本文将提供丰富的测试用例，保证读者对该类有更深入的了解。

ConcurrentHashMap

简介

ConcurrentHashMap是Java集合框架中线程安全的哈希表，它是Hash table和HashMap的线程安全版本，底层实现使用了分段锁机制（Segment），在多线程的情况下，性能要优于Hashtable。ConcurrentHashMap是一个非常重要的容器类，被广泛应用于高并发的系统中，例如JavaEE应用服务器、缓存系统、分布式系统等等。

源代码解析

ConcurrentHashMap的核心代码包含在java.util.concurrent包内，主要的实现类是ConcurrentHashMap和Segment。ConcurrentHashMap是哈希表的主干，而Segment是哈希表的子结构，用于实现分段锁。

ConcurrentHashMap集合

ConcurrentHashMap的主干部分是一个哈希数组table，其中的每个元素是一个链表。每个链表都是一个键值对的序列，每一个键值对都是一个Entry对象。

在ConcurrentHashMap中，每个键值对都分布在整个哈希表中，因此对于某个键值对的操作不会影响其他键值对的操作，从而实现了高并发的访问。

Segment

Segment是ConcurrentHashMap的子结构，用于实现分段锁。在ConcurrentHashMap中，哈希表被分为多个Segment，每个Segment都是一个独立的哈希表，并且各自维护自己的锁。因此，在多线程环境下，一个线程只需要锁定一个Segment，就可以访问该Segment中的数据，而不需要锁定整个哈希表。

Segment的实现类是HashEntry数组，每个HashEntry是一个键值对，同时还包括一个next指针和一个hash值。每个Segment还有一个modcount值，用于记录Segment中键值对的数量。

应用场景案例

ConcurrentHashMap可以应用于许多需要高并发访问的场景，例如：

缓存系统

ConcurrentHashMap可以用于实现缓存系统。缓存系统需要支持读写操作，并且需要高并发地访问数据。通过使用ConcurrentHashMap，可以实现高效的读取数据和同时写入多个缓存。

分布式系统

在分布式系统中，多个节点需要同时访问某一个共享资源。ConcurrentHashMap可以作为共享资源的容器，实现多个节点对共享资源的并发访问。

JavaEE应用服务器

在JavaEE应用服务器中，ConcurrentHashMap可以用于存储会话信息、缓存数据、存储对象等等。JavaEE应用服务器需要支持高并发的访问，ConcurrentHashMap可以满足这个要求。

优缺点分析

ConcurrentHashMap的优点是支持高并发访问，在多线程环境下，效率比Hashtable要高。另外，ConcurrentHashMap支持读写操作的分离，读操作不需要加锁，因此可以实现高效的读取数据。同时，ConcurrentHashMap的迭代器也是线程安全的，可以在多线程环境下使用。

ConcurrentHashMap的缺点是占用内存较多，因为它需要维护多个Segment，每个Segment都有一个锁、一个HashEntry数组和一些控制信息（如modcount值）。此外，ConcurrentHashMap在高并发写的情况下，可能会出现数据不一致的情况，因为多个线程同时对同一个键值对进行写操作时，可能会导致数据覆盖。

类代码方法介绍

ConcurrentHashMap

put(K key, V value)

代码语言：txt复制

向ConcurrentHashMap中添加键值对，如果该键已存在，会替换该键对应的值。

get(Object key)

代码语言：txt复制

获取ConcurrentHashMap中指定键对应的值。

remove(Object key)

代码语言：txt复制

移除ConcurrentHashMap中指定的键值对。

keySet()

代码语言：txt复制

返回ConcurrentHashMap的所有键集合。

values()

代码语言：txt复制

返回ConcurrentHashMap的所有值集合。

Segment

put(K key, V value, int hash, boolean onlyIfAbsent)

在Segment中添加键值对，如果该键已存在，根据onlyIfAbsent的值决定是否替换该键对应的值。

containsValue(Object value)

代码语言：txt复制

判断Segment中是否存在指定的值。

remove(Object key, int hash, Object value)

代码语言：txt复制

移除Segment中指定的键值对，如果该键对应的值与指定值相同，则移除。

测试用例

下面提供一个简单的测试用例，测试ConcurrentHashMap的基本功能：

测试代码演示

代码语言：java复制

package com.example.javase.collection;

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
 * @author ms
 * @date 2023/10/25 18:08
 */
public class ConcurrentHashMapTest {

    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

        // put方法测试
        map.put("key1", "value1");
        map.put("key2", "value2");
        System.out.println(map.get("key1"));
        System.out.println(map.get("key2"));

        // remove方法测试
        map.remove("key1");
        System.out.println(map.get("key1"));

        // keySet方法测试
        System.out.println(map.keySet());

        // values方法测试
        System.out.println(map.values());
    }
}

测试结果

根据如上测试用例，本地测试结果如下，仅供参考，你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法，进行熟练学习以此加深理解。

测试代码分析

根据如上测试用例，在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码，以便于更多的同学能够理解并加深印象。

如上测试用例代码演示了如何使用Java中的ConcurrentHashMap类。在这个例子中，我们创建了一个ConcurrentHashMap实例，并使用put方法添加了两个键值对。然后使用get方法获取其中一个键的值，并使用remove方法删除了一个键及其对应的值。最后，我们使用keySet和values方法分别获取键集和值集，并将它们打印到控制台上来进行测试。

ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap，它允许并发地访问和修改它的内部数据结构。它采用锁分离技术，将哈希表分成16个段，并为每个段分配一个锁。这样，多个线程可以同时访问和修改不同的段，从而提高了并发性。

总体来说，ConcurrentHashMap在多线程环境下的效率和性能较高，是一个常用的数据结构。

全文小结

本文通过对ConcurrentHashMap的深入分析，探讨了它在多线程编程中的应用场景，并对其优缺点进行了分析。同时，本文提供了丰富的测试用例，保证读者对该类有更深入的了解。通过本文的学习，读者可以更加深入地了解ConcurrentHashMap这个类的内部实现和使用方法，从而更好地应用于实际场景中。

总结

ConcurrentHashMap是Java集合框架中非常重要的一个类，它可以应用于高并发的系统中，例如JavaEE应用服务器、缓存系统、分布式系统等等。ConcurrentHashMap的源代码是比较复杂的，主要的实现类是ConcurrentHashMap和Segment。ConcurrentHashMap是哈希表的主干，而Segment是哈希表的子结构，用于实现分段锁。ConcurrentHashMap的优点是支持高并发访问，在多线程环境下，效率比Hashtable要高。同时，ConcurrentHashMap的缺点是占用内存较多，因为它需要维护多个Segment，每个Segment都有一个锁、一个HashEntry数组和一些控制信息（如modcount值）。

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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