【面試普通人VS高手系列】ConcurrentHashMap 底層具體實現知道嗎？實現原理是什麼？

跟著Mic學架構發表於2022-04-19

之前分享過一期HashMap的面試題，然後有個小夥伴私信我說，他遇到了一個ConcurrentHashMap的問題不知道怎麼回答。
於是，就有了這一期的內容！！
我是Mic，一個工作了14年的Java程式設計師，今天我來分享關於 ”ConcurrentHashMap 底層實現原理“ 這個問題，
看看普通人和高手是如何回答的！

普通人：

嗯.. ConcurrentHashMap是用陣列和連結串列的方式來實現的，嗯… 在JDK1.8裡面還引入了紅黑樹。然後連結串列和紅黑樹是解決hash衝突的。嗯……

高手：

這個問題我從這三個方面來回答：

ConcurrentHashMap的整體架構
ConcurrentHashMap的基本功能
ConcurrentHashMap在效能方面的優化

ConcurrentHashMap的整體架構

這個是ConcurrentHashMap在JDK1.8中的儲存結構，它是由陣列、單向連結串列、紅黑樹組成。

當我們初始化一個ConcurrentHashMap例項時，預設會初始化一個長度為16的陣列。由於ConcurrentHashMap它的核心仍然是hash表，所以必然會存在hash衝突問題。

ConcurrentHashMap採用鏈式定址法來解決hash衝突。

當hash衝突比較多的時候，會造成連結串列長度較長，這種情況會使得ConcurrentHashMap中資料元素的查詢複雜度變成O(_n)。因此在JDK1.8中，引入了紅黑樹的機制。

當陣列長度大於64並且連結串列長度大於等於8的時候，單項鍊表就會轉換為紅黑樹。

另外，隨著ConcurrentHashMap的動態擴容，一旦連結串列長度小於8，紅黑樹會退化成單向連結串列。
ConcurrentHashMap的基本功能

ConcurrentHashMap本質上是一個HashMap，因此功能和HashMap一樣，但是ConcurrentHashMap在HashMap的基礎上，提供了併發安全的實現。

併發安全的主要實現是通過對指定的Node節點加鎖，來保證資料更新的安全性。
ConcurrentHashMap在效能方面做的優化

如果在併發效能和資料安全性之間做好平衡，在很多地方都有類似的設計，比如cpu的三級快取、mysql的buffer_pool、Synchronized的鎖升級等等。

ConcurrentHashMap也做了類似的優化，主要體現在以下幾個方面：
- 在JDK1.8中，ConcurrentHashMap鎖的粒度是陣列中的某一個節點，而在JDK1.7，鎖定的是Segment，鎖的範圍要更大，因此效能上會更低。
- 引入紅黑樹，降低了資料查詢的時間複雜度，紅黑樹的時間複雜度是O(_logn)。
- 當陣列長度不夠時，ConcurrentHashMap需要對陣列進行擴容，在擴容的實現上，ConcurrentHashMap引入了多執行緒併發擴容的機制，簡單來說就是多個執行緒對原始陣列進行分片後，每個執行緒負責一個分片的資料遷移，從而提升了擴容過程中資料遷移的效率。
- ConcurrentHashMap中有一個size()方法來獲取總的元素個數，而在多執行緒併發場景中，在保證原子性的前提下來實現元素個數的累加，效能是非常低的。ConcurrentHashMap在這個方面的優化主要體現在兩個點：
  - 當執行緒競爭不激烈時，直接採用CAS來實現元素個數的原子遞增。
  - 如果執行緒競爭激烈，使用一個陣列來維護元素個數，如果要增加總的元素個數，則直接從陣列中隨機選擇一個，再通過CAS實現原子遞增。它的核心思想是引入了陣列來實現對併發更新的負載。