深入解析JDK1.8 ConcurrentHashMap读操作的并发安全机制

"2021面试题总结——数据结构篇，主要讨论了Java中的ConcurrentHashMap在并发环境下的实现机制和读操作的无锁特性。" 在Java并发编程中，数据结构的选择至关重要，尤其是对于高并发场景，`ConcurrentHashMap`是一个高效且线程安全的选择。这个面试题总结主要关注了`ConcurrentHashMap`在JDK 1.8中的设计和实现。在JDK 1.8中，`ConcurrentHashMap`采用了分段锁（Segment）的概念，并进一步优化，使用了`Node+CAS+Synchronized`的方式保证并发安全性。 首先，`ConcurrentHashMap`的内部节点类型`Node`是一个实现了`Map.Entry`接口的类，它包含了`key`、`value`以及指向下一个节点的引用。关键在于，`Node`的`val`和`next`字段都使用了`volatile`修饰，确保在多线程环境下，这些字段的修改对其他线程是立即可见的。同时，`table`数组的引用被声明为`volatile`，这意味着当`table`进行扩容时，其他线程可以立即看到新的`table`引用，保证了数据一致性。 在读操作中，`ConcurrentHashMap`的设计非常巧妙，它并没有使用锁来保护读操作。当一个线程读取某个键值对时，它首先计算键的哈希值，然后通过哈希值找到对应的桶（bucket）。如果桶中的第一个节点（`e`）就是目标键值对，那么直接返回其值；否则，会根据节点的类型进行进一步查找。如果节点的`hash`值为负值，可能表示当前正在进行扩容或者节点已经转换为红黑树（`TreeBin`），这时会调用相应的查找方法来获取正确的值。 这里提到的`-1`表示节点是`ForwardingNode`，这意味着当前表正在扩容，查找操作需要在新的`nextTable`中进行。而`-2`则表明节点是一个`TreeBin`，即节点已经树化，此时查找会通过红黑树的查找算法进行，这样可以在O(log n)的时间复杂度内完成查找，大大提高了性能。 这种无锁读取的设计使得`ConcurrentHashMap`在多线程环境中具有极高的并发性能，因为读操作不需要等待任何同步。只有在写操作时，才需要使用CAS（Compare and Swap）操作或者轻量级的`synchronized`来保证原子性和线程安全，从而降低了锁的粒度，提升了整体的并发性能。 `ConcurrentHashMap`是Java并发编程中一个重要的工具，它的设计兼顾了线程安全和性能，是理解和掌握Java并发编程不可或缺的一部分。在面试中，理解并能解释其内部机制，特别是读操作的无锁实现，是展示并发编程能力的重要标志。