Java 中的 ConcurrentHashMap

在 Java 中，ConcurrentHashMap 是一种线程安全的哈希表，与 HashMap 不同的是，ConcurrentHashMap 支持并发读写操作。这种数据结构是非常有用的，尤其在多线程环境下，它能够保证线程安全，同时提供非常高效的访问速度。本文将介绍 ConcurrentHashMap 的基本概念和用法。

ConcurrentHashMap 的基本概念

ConcurrentHashMap 是 Java 并发包中提供的类。它继承了 AbstractMap，实现了 ConcurrentMap 接口。ConcurrentMap 接口是一个支持并发访问的 Map，它提供了一些额外的原子操作，比如 putIfAbsent() 和 remove()。ConcurrentHashMap 有以下几个基本概念：

• Segment：每个 Segment 实际上是一个 HashEntry 数组，它包含了多个键值对。不同的 Segment 可以被不同的线程同时访问，这使得 ConcurrentHashMap 支持更高的并发度。
• HashEntry：它是 ConcurrentHashMap 中存储单个键值对的基本单元，包含了键、值和指向下一个节点的指针。
• Load Factor：它是一个比率值，表示 ConcurrentHashMap 允许的最大填充比率。当 ConcurrentHashMap 中的元素个数达到容量和负载因子的乘积时，就会触发扩容操作。
• 并发度：ConcurrentHashMap 中的并发度是指它内部实现的 Segment 数组的长度，它决定了 ConcurrentHashMap 在并发环境下的性能表现。

ConcurrentHashMap 的使用方法

ConcurrentHashMap 的使用方法与 HashMap 非常相似，但需要注意的是 ConcurrentHashMap 是线程安全的，因此在多个线程同时访问 ConcurrentHashMap 时不需要额外加锁。下面是一个简单的示例代码：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapTest {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", "value1");
        map.put("key2", "value2");

        System.out.println(map.get("key1"));
        System.out.println(map.get("key2"));
    }
}

上面的代码创建了一个 ConcurrentHashMap 对象，并向其中插入了两个键值对。然后分别输出了 key1 和 key2 对应的值。如果在多线程环境下同时访问 map 对象，也不需要担心线程安全问题。

ConcurrentHashMap 还提供了一些额外的原子操作。比如：

• putIfAbsent(K key, V value)：只有 key 对应的 value 不存在时才插入该键值对。
• remove(Object key, Object value)：只有 key 对应的值等于指定的值时才删除该键值对。
• replace(K key, V oldValue, V newValue)：只有 key 对应的值等于指定的旧值时才替换为新值。

下面是 putIfAbsent 方法的一个示例代码：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapTest {
    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", "value1");

        System.out.println(map.putIfAbsent("key1", "value2"));
        System.out.println(map.putIfAbsent("key2", "value2"));
    }
}

上面的代码先向 ConcurrentHashMap 中插入了 key1 对应的值 value1。然后使用 putIfAbsent() 方法尝试插入 key1 对应的值 value2，由于 key1 已经存在，因此不会插入新的键值对。接下来尝试插入 key2 对应的值 value2，由于 key2 不存在，因此会插入一个新的键值对。

ConcurrentHashMap 的性能测试

在并发环境下，ConcurrentHashMap 的性能表现非常优秀。下面我们来测试一下 ConcurrentHashMap 在多线程和单线程下的性能表现。测试代码如下：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapPerformanceTest {

    public static void testSingleThread() {
        ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Single thread time: " + (endTime - startTime) + "ms");
    }

    public static void testMultiThreads() throws InterruptedException {
        final ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000000; i++) {
                map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 5000000; i < 10000000; i++) {
                map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Multi threads time: " + (endTime - startTime) + "ms");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testSingleThread();
        testMultiThreads();
    }
}

上面的代码分别测试了 ConcurrentHashMap 在单线程和多线程环境下插入 10000000 个键值对的运行时间。结果如下：

Single thread time: 3664ms
Multi threads time: 1241ms

可以看到，在多线程环境下，ConcurrentHashMap 的性能要比单线程下高很多。这主要是因为 ConcurrentHashMap 支持多个线程同时操作不同的 Segment，因此能够实现较高的并发度。

结论

ConcurrentHashMap 是一种高效的线程安全的哈希表，它支持并发读写操作。在多线程环境下，ConcurrentHashMap 的性能非常优秀，可以有效提升程序的运行效率。开发人员在编写多线程程序时，可以优先考虑使用 ConcurrentHashMap，以保证程序的线程安全性和高效性。