ConcurrentHashMap 在 Java7 和 8 有何不同?

Java 7 版本的 ConcurrentHashMap

结构示意图:

从图中我们可以看出,在 ConcurrentHashMap 内部进行了 Segment 分段,Segment 继承了 ReentrantLock,可以理解为一把锁,各个 Segment 之间都是相互独立上锁的,互不影响。相比于之前的 Hashtable 每次操作都需要把整个对象锁住而言,大大提高了并发效率。因为它的锁与锁之间是独立的,而不是整个对象只有一把锁。

每个 Segment 的底层数据结构与 HashMap 类似,仍然是数组和链表组成的拉链法结构。默认有 0~15 共 16 个 Segment,所以最多可以同时支持 16 个线程并发操作(操作分别分布在不同的 Segment 上)。16 这个默认值可以在初始化的时候设置为其他值,但是一旦确认初始化以后,是不可以扩容的。

 Java 8 版本的 ConcurrentHashMap

在 Java 8 中,几乎完全重写了 ConcurrentHashMap,代码量从原来 Java 7 中的 1000 多行,变成了现在的 6000 多行,所以也大大提高了源码的阅读难度。

结构示意图:

图中的节点有三种类型。

第一种是最简单的,空着的位置代表当前还没有元素来填充。

第二种就是和 HashMap 非常类似的拉链法结构,在每一个槽中会首先填入第一个节点,但是后续如果计算出相同的 Hash 值,就用链表的形式往后进行延伸。

第三种结构就是红黑树结构,这是 Java 7 的 ConcurrentHashMap 中所没有的结构,在此之前我们可能也很少接触这样的数据结构。

当第二种情况的链表长度大于某一个阈值(默认为 8),且同时满足一定的容量要求的时候,ConcurrentHashMap 便会把这个链表从链表的形式转化为红黑树的形式,目的是进一步提高它的查找性能。所以,Java 8 的一个重要变化就是引入了红黑树的设计。

红黑树介绍

红黑树是每个节点都带有颜色属性的二叉查找树,颜色为红色或黑色,红黑树的本质是对二叉查找树 BST 的一种平衡策略,我们可以理解为是一种平衡二叉查找树,查找效率高,会自动平衡,防止极端不平衡从而影响查找效率的情况发生。

由于自平衡的特点,即左右子树高度几乎一致,所以其查找性能近似于二分查找,时间复杂度是 O(log(n)) 级别;反观链表,它的时间复杂度就不一样了,如果发生了最坏的情况,可能需要遍历整个链表才能找到目标元素,时间复杂度为 O(n),远远大于红黑树的 O(log(n)),尤其是在节点越来越多的情况下,O(log(n)) 体现出的优势会更加明显。

红黑树的一些其他特点:

每个节点要么是红色,要么是黑色,但根节点永远是黑色的。

红色节点不能连续,也就是说,红色节点的子和父都不能是红色的。

从任一节点到其每个叶子节点的路径都包含相同数量的黑色节点。

正是由于这些规则和要求的限制,红黑树保证了较高的查找效率,所以现在就可以理解为什么 Java 8 的 ConcurrentHashMap 要引入红黑树了。好处就是避免在极端的情况下冲突链表变得很长,在查询的时候,效率会非常慢。而红黑树具有自平衡的特点,所以,即便是极端情况下,也可以保证查询效率在 O(log(n))

对比Java7 和Java8 的异同和优缺点

(1)数据结构

Java 7 采用 Segment 分段锁来实现,而 Java 8 中的 ConcurrentHashMap 使用数组 + 链表 + 红黑树,在这一点上它们的差别非常大。

(2)并发度

Java 7 中,每个 Segment 独立加锁,最大并发个数就是 Segment 的个数,默认是 16。

但是到了 Java 8 中,锁粒度更细,理想情况下 table 数组元素的个数(也就是数组长度)就是其支持并发的最大个数,并发度比之前有提高。

(3)保证并发安全的原理

Java 7 采用 Segment 分段锁来保证安全,而 Segment 是继承自 ReentrantLock。

Java 8 中放弃了 Segment 的设计,采用 Node + CAS + synchronized 保证线程安全。

(4)查询时间复杂度

Java 7 遍历链表的时间复杂度是 O(n),n 为链表长度。

Java 8 如果变成遍历红黑树,那么时间复杂度降低为 O(log(n)),n 为树的节点个数。

(5)遇到 Hash 碰撞

Java 7 在 Hash 冲突时,会使用拉链法,也就是链表的形式。

Java 8 先使用拉链法,在链表长度超过一定阈值时,将链表转换为红黑树,来提高查找效率。

posted @ 2021-07-25 17:24  JustJavaIt  阅读(115)  评论(0编辑  收藏  举报