java8 ConcurrentHashMap 桶级别锁实现机制

Java 8 ConcurrentHashMap 桶级别锁实现机制

Java 8 中的 ConcurrentHashMap 抛弃了分段锁设计，采用了更细粒度的桶级别锁（bucket-level locking）实现，这是其并发性能提升的关键。下面详细解析其实现原理：

1. 基本实现原理

桶级别锁的核心思想是：只锁定当前操作的哈希桶（链表或树的头节点），而不是整个表或某个段。

关键实现方式：

• CAS + synchronized 组合控制
• 锁对象是每个桶的头节点
• 读操作完全无锁（volatile读）
• 写操作仅在必要时加锁

2. 具体实现细节

2.1 锁获取方式

// putVal方法中的锁获取片段
synchronized (f) { // f是桶的头节点if (tabAt(tab, i) == f) { // 双重检查// 执行插入操作...}
}

2.2 锁的获取条件

1. 桶不为空时才会加锁
2. 只锁住当前桶的头节点
3. 通过 synchronized 关键字实现（JVM优化后的偏向锁/轻量级锁）

3. 实现步骤分解

3.1 插入元素时的锁控制流程

1. 计算 key 的哈希并定位桶位置
2. 如果桶为空，使用 CAS 无锁插入

   if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null)))break;
   

3. 如果桶不为空，则锁住头节点：

   synchronized (f) {// 处理链表或树
   }
   

3.2 锁的细粒度验证

synchronized (f) {if (tabAt(tab, i) == f) { // 再次确认当前节点仍是头节点// 实际处理逻辑}
}

这种双重检查确保：

• 防止在获取锁期间桶已被其他线程修改
• 保证操作的原子性

4. 技术优势

1. 更高的并发度：

   • 理论上并发度 = 哈希桶数量（默认16 → 可能成千上万）

2. 更低的锁竞争：

   • 不同桶的操作完全并行
   • 只有哈希冲突时才会竞争

3. 自适应锁优化：

   • JVM 会根据竞争情况自动升级锁（偏向锁→轻量级锁→重量级锁）

4. 与扩容协同：

   • 扩容时通过 ForwardingNode 保证操作可以继续

5. 与 Java 7 分段锁对比

6. 实际代码示例

6.1 链表情况下的锁应用

// putVal方法片段
synchronized (f) {if (tabAt(tab, i) == f) {if (fh >= 0) { // 普通链表节点binCount = 1;for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {// 遍历链表...if ((e = e.next) == null) {e.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null);break;}}}}
}

6.2 树情况下的锁应用

else if (f instanceof TreeBin) {Node<K,V> p;binCount = 2;if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) {oldVal = p.val;if (!onlyIfAbsent)p.val = value;}
}

7. 关键设计考量

1. synchronized 优化：

   • Java 6 后 synchronized 性能已大幅提升
   • JVM 会根据竞争情况自动优化

2. CAS 失败回退：

   • 当 CAS 插入失败（竞争）时才使用锁

3. 死锁避免：

   • 只按固定顺序获取单个锁
   • 不会出现交叉锁请求

4. 内存可见性：

   • 通过 volatile 变量保证
   • setTabAt/tabAt 使用 Unsafe 保证原子性

这种桶级别锁设计使得 ConcurrentHashMap 在 Java 8 中实现了：

• 更高的并发吞吐量
• 更低的操作延迟
• 更平滑的性能曲线
• 更好的可扩展性