ConcurrentHashMap 为什么能实现线程安全？

ConcurrentHashMap 是 Java 中线程安全的哈希表实现，通过以下机制保证线程安全：

1. 分段锁（Java 1.7）：

• 将数据分成多个段（Segment），每个段独立加锁，不同段之间可以并发操作。
• 每个段类似于一个小的 Hashtable，锁的粒度更细，减少竞争。

2. CAS + synchronized（Java 1.8）：

• 放弃分段锁，改用更细粒度的锁（直接锁单个桶的头节点）。
• 使用 CAS（Compare-And-Swap） 无锁操作初始化数组或插入头节点。
• 对链表或红黑树的修改使用 synchronized 锁住头节点，保证单线程操作桶内数据。

3. 原子操作与内存可见性：

• 通过 volatile 关键字保证数组元素的可见性。
• 使用原子操作（如 putVal、replace）确保复合操作的原子性。

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Java 1.7 和 1.8 的 ConcurrentHashMap 核心区别

1. 底层数据结构

版本	数据结构
Java 1.7	分段锁（Segment 数组） + HashEntry 数组 + 链表。 每个 Segment 独立管理一个哈希表。
Java 1.8	数组 + 链表 + 红黑树（类似 HashMap 1.8） 锁粒度细化到单个桶（头节点）。

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2. 线程安全机制

版本	锁机制
Java 1.7	分段锁（ReentrantLock）：每个 Segment 独立加锁，不同段可并发操作。 并发度由 Segment 数量决定（默认 16）。
Java 1.8	CAS + synchronized： - 初始化数组或插入头节点时使用 CAS 无锁操作。 - 修改链表或红黑树时，锁住头节点（synchronized）。 - 锁粒度更细，并发度更高。

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3. 哈希冲突处理

版本	冲突处理
Java 1.7	仅支持链表，冲突时新节点插入链表头部（头插法）。
Java 1.8	链表长度 ≥ 8 且数组长度 ≥ 64 时，链表转为红黑树；红黑树节点 ≤ 6 时退化为链表。

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4. 扩容机制

版本	扩容方式
Java 1.7	每个 Segment 独立扩容，扩容时锁住整个段。
Java 1.8	支持多线程协同扩容： - 线程插入数据时发现正在扩容，会帮助迁移数据。 - 使用 ForwardingNode 标记迁移状态。

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5. 性能优化

版本	优化点
Java 1.7	分段锁减少竞争，但并发度受限于段数量（默认 16）。
Java 1.8	- 锁粒度更细（单节点锁），并发度更高。 - 红黑树优化查询效率。 - CAS 减少锁竞争。

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为什么 Java 1.8 改用 synchronized 而不是 ReentrantLock？

1. 锁粒度细化：synchronized 在 Java 1.6 后进行了大量优化（如锁升级、偏向锁等），性能接近 ReentrantLock。
2. 代码简化：减少内存开销（ReentrantLock 需要维护 AQS 队列）。
3. CAS 无锁化：通过 CAS 实现无锁初始化或头节点插入，减少锁的使用场景。

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关键代码示例（Java 1.8）

java

复制代码final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 使用 CAS 插入头节点
    if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
        break;
    // 锁住头节点修改链表或红黑树
    synchronized (f) {
        if (tabAt(tab, i) == f) {
            // 插入或更新节点
        }
    }
}

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总结对比表

特性	Java 1.7	Java 1.8
数据结构	分段锁（Segment + HashEntry + 链表）	数组 + 链表 + 红黑树
锁机制	分段锁（ReentrantLock）	CAS + synchronized（锁单个桶）
并发度	受限于 Segment 数量（默认 16）	更高（锁粒度细化到桶）
哈希冲突处理	链表	链表 + 红黑树
扩容机制	段内独立扩容	多线程协同扩容
内存开销	较高（每个 Segment 维护独立哈希表）	较低

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为什么 ConcurrentHashMap 线程安全但不需要全局锁？

1. 分段锁或细粒度锁：仅锁住需要修改的局部数据（如单个桶），其他线程仍可访问其他部分。
2. CAS 无锁操作：在初始化或头节点插入时避免锁竞争。
3. 原子性与可见性：通过 volatile 和原子操作保证多线程下的数据一致性。

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适用场景

• 高并发读写场景（如缓存、计数器）。
• 替代 Hashtable 或 Collections.synchronizedMap，性能更高。
• 需要保证线程安全且对性能有要求的场景。

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注意事项

• 非原子性复合操作：如 putIfAbsent 是原子的，但 get 后 put 的组合操作仍需外部同步。
• 弱一致性迭代器：迭代器反映的是某一时刻的快照，不保证实时一致性。

通过以上机制，ConcurrentHashMap 在保证线程安全的同时，显著提升了并发性能。