ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是 Java 中用于在多线程环境下高效存储和操作键值对的哈希表实现，下面从基本概念、底层数据结构、线程安全机制、关键方法、性能特点以及使用场景几个方面详细介绍：

基本概念

ConcurrentHashMap 是 java.util.concurrent 包下的一个类，它继承自 AbstractMap 类并实现了 ConcurrentMap 接口。与 HashMap 不同，ConcurrentHashMap 是线程安全的，在多线程环境下可以高效地进行并发操作，避免了 HashMap 在多线程环境下可能出现的数据不一致和线程安全问题。

底层数据结构

JDK 1.7

分段锁机制：ConcurrentHashMap 使用分段锁（Segment）来实现线程安全。整个哈希表被分成多个 Segment，每个 Segment 类似于一个小的 HashMap，它继承自 ReentrantLock，可以独立加锁。不同的 Segment 可以被不同的线程同时访问，从而提高并发性能。
数据结构：每个 Segment 内部包含一个哈希表，由数组和链表组成。

JDK 1.8

CAS + synchronized：摒弃了分段锁机制，采用 CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）和 synchronized 来保证线程安全。
数据结构：底层数据结构是数组 + 链表 + 红黑树。当链表长度超过 8 且数组长度大于 64 时，链表会转换为红黑树，以提高查找效率。

线程安全机制

JDK 1.7

每个 Segment 都有自己独立的锁，不同的 Segment 可以并行操作。当一个线程访问某个 Segment 时，会对该 Segment 加锁，其他线程可以同时访问其他 Segment，从而提高并发度。

JDK 1.8

CAS 操作：在插入元素时，首先会使用 CAS 操作尝试更新数组中的节点，如果 CAS 操作成功，则插入成功；如果失败，则说明有其他线程在同时操作，会进入下一步处理。
synchronized 锁：当发生哈希冲突时，会使用 synchronized 对链表或红黑树的头节点加锁，保证同一时刻只有一个线程可以对该链表或红黑树进行操作。

关键方法

put(K key, V value)

作用：将指定的键值对插入到 ConcurrentHashMap 中。
实现：在 JDK 1.8 中，首先计算键的哈希值，找到对应的桶位置。如果桶为空，使用 CAS 操作将新节点插入；如果桶不为空，对桶的头节点加锁，遍历链表或红黑树，若键已存在则更新值，否则插入新节点。

get(Object key)

作用：根据指定的键获取对应的值。
实现：计算键的哈希值，找到对应的桶位置，然后遍历链表或红黑树查找键对应的值。由于 get 操作不需要加锁，所以性能较高。

size()

作用：返回 ConcurrentHashMap 中键值对的数量。
实现：在 JDK 1.8 中，size 方法会先尝试使用无锁的方式统计元素数量，如果失败则会加锁统计。

性能特点

高并发性能：由于采用了分段锁（JDK 1.7）或 CAS + synchronized（JDK 1.8）的机制，ConcurrentHashMap 可以支持多个线程同时进行读写操作，并发性能较高。
空间开销：相比于 HashMap，ConcurrentHashMap 为了保证线程安全，会有一定的空间开销，例如分段锁（JDK 1.7）和额外的 CAS 操作。

使用场景

多线程环境下的缓存：在多线程环境中，如果需要使用缓存来存储数据，ConcurrentHashMap 是一个不错的选择，它可以保证线程安全，同时具有较高的并发性能。
共享数据存储：当多个线程需要共享一个哈希表时，使用 ConcurrentHashMap 可以避免数据不一致和线程安全问题。

示例代码

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConcurrentHashMapExample {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();// 插入键值对map.put("apple", 1);map.put("banana", 2);map.put("cherry", 3);// 获取值Integer value = map.get("banana");System.out.println("Value of banana: " + value);// 遍历键值对for (ConcurrentHashMap.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey() + ": " + entry.getValue());}// 删除键值对map.remove("cherry");System.out.println("After removing cherry, size: " + map.size());}
}