ConcurrentHashMap的线程安全实现原理

`ConcurrentHashMap` 是 Java 标准库中的一个重要并发数据结构，它是 `HashMap` 的线程安全版本。它的设计采用了分段（Segmented）的概念，结合了锁分离（Lock striping）以及无锁（Lock-free）的技术来提高性能并保持线程安全性。

**1. 分段（Segmented）**：ConcurrentHashMap 将数据划分为多个独立的部分，每个部分有自己的哈希表（segment），这样就可以在一个部分上进行操作而不会影响到其他部分。这种分割减少了锁的竞争，提高了并发性能。

**2. 锁分离（Lock Striping）**：对于每个哈希桶，使用一个特定范围的锁（reentrant locks）来保护该桶内的元素。这意味着如果有多个线程对同一个桶操作，只需要获取对应的锁，而不是全局的锁。这显著地减少了锁竞争带来的开销。

**3. 并发写入（CAS）和乐观锁**：ConcurrentHashMap 使用原子性的 Compare-and-Swap (CAS) 操作来实现非阻塞的插入、删除和替换操作，这是一种乐观锁策略，假设大部分情况下读操作不需要同步。当冲突发生时，再回滚操作或尝试重新执行。

**4. 阻塞读（Reads are blocking）**：读操作如果遇到争用，会选择阻塞直到锁被释放。这是为了保证读的正确性，确保在修改后的视图下读取数据。

**5. 空闲段回收（Eviction）**：当映射满了之后，ConcurrentHashMap 不直接拒绝新的插入，而是将不再使用的段从内存中移除，腾出空间给新添加的元素。这是通过一种称为 Segregated Storage 的机制实现的。

**6. 冗余数据检查（Casual Lookups）**：为了支持高并发环境下的“casual lookups”（即读操作），它会在本地缓存中查找键值，只有找不到才去实际的 segment 中查找，这进一步减少了锁的竞争。

总的来说，`ConcurrentHashMap` 的实现巧妙地利用了并发技术和优化，使得在高并发场景下能够提供高性能的同时保持数据一致性。然而，虽然读操作相对高效，但写操作仍存在一定的锁定开销，因此在某些极端情况下，可能会比标准的 `HashMap` 更慢。