并发编程：JDK7 和 JDK8 的 ConcurrentHashMap 锁实现方案

一、背景与目标

ConcurrentHashMap 是 Java 并发包中的高性能线程安全 Map，在 JDK7 与 JDK8 里，其底层实现机制发生了 重大变革。

主要目标：

• 支持高并发读写；
• 保证线程安全；
• 尽量减少锁竞争，提升吞吐性能。

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二、JDK7：分段锁（Segment）机制

1. 结构概览

ConcurrentHashMap
   └── Segment[0] ─→ HashEntry[]
   └── Segment[1] ─→ HashEntry[]
   └── ...
   └── Segment[N-1]

• 整体由多个 Segment 组成（默认 16 个），每个 Segment 是一个小型的 HashMap，继承 ReentrantLock；
• 每个 Segment 内部包含 HashEntry[]；
• 每次操作只锁定对应的 Segment，从而实现分段加锁，提高并发度。

2. 加锁粒度

• 每个 Segment 独立加锁：写操作锁定 1 个 Segment；
• 读操作使用 volatile + final 字段实现弱一致性，无需加锁。

3. 核心源码片段（put）

final Segment<K,V> s = segmentFor(hash);
s.lock(); // 加锁 Segment
try {
    s.put(...)
} finally {
    s.unlock();
}

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三、JDK8：取消 Segment，采用节点级别同步 + CAS

1. 新结构（简化）如下：

ConcurrentHashMap
   └── Node[] table; // 数组 + 链表/红黑树

• 完全去掉了 Segment，直接使用 Node[] table；
• 每个桶内是链表或红黑树；
• 核心是对每个 桶（bin）进行细粒度控制。

2. 锁机制

• 写操作使用 synchronized 锁住桶头节点；
• 并发扩容、put 操作时大量使用 CAS + 自旋；
• 读操作使用 volatile 字段，无锁。

3. 核心源码片段（put）

if (casTabAt(tab, i, null, new Node(...))) {
    // CAS 插入成功，无需加锁
} else {
    synchronized (f) {
        // 锁住桶头节点，进行链表插入
    }
}

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四、JDK7 vs JDK8 对比总结表

项目	JDK7（Segment）	JDK8（Node + CAS）
核心结构	Segment[16] + HashEntry[]	Node[] + 链表/红黑树
加锁方式	锁住 Segment（ReentrantLock）	锁桶头（synchronized）+ CAS
并发读	无锁，volatile + final 保证	无锁，volatile 保证
并发写	锁一个 Segment（最多16个并发）	精确到桶 + CAS，自旋扩容
扩容	全表加锁迁移	多线程协作迁移（transferIndex）
红黑树优化	❌ 无	✅ 桶内链表长度超过 8 转红黑树
内存占用	多 Segment 和锁，略高	更紧凑（去 Segment）

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五、JDK8 优势详解

• 更高并发性：无 Segment 限制，可支持比 JDK7 更高的并发；
• 更低内存占用：去除了大量 Segment 对象；
• 红黑树优化：链表长度过长自动转红黑树，防止哈希碰撞攻击；
• 扩容过程并发化：多个线程可一起迁移桶，提高扩容效率。

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六、图示结构对比

JDK7 分段锁结构图：

┌─────────────┐
│ConcurrentMap│
└─────┬───────┘
      ↓
 ┌─────────────┐
 │Segment[16]  │   ← 分段锁数组，每个 Segment 是一个小 HashMap
 └─────────────┘
      ↓
 ┌─────────────┐
 │ HashEntry[] │
 └─────────────┘

JDK8 精细锁结构图：

┌─────────────┐
│ConcurrentMap│
└─────┬───────┘
      ↓
 ┌─────────────┐
 │   Node[]    │   ← 每个桶可为链表或红黑树，无 Segment
 └─────────────┘
      ↓
链表/红黑树 + synchronized + CAS 控制访问

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七、典型使用建议

场景	推荐版本
高并发、大量写操作	JDK8 及以上
低 JDK 环境（≤JDK7）	可用，但有并发上限
高并发读，少量写	两者都可用，JDK8 更优

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八、简单性能对比测试建议（可选）

可以构造多线程同时 put 的场景，对比 JDK7 与 JDK8 在写压力下的吞吐差异。JDK8 通常能支撑更大的并发线程数，且内存占用更低。

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九、结语

JDK7 使用的是基于分段锁（Segment）的粗粒度并发控制方式；
JDK8 重构为基于数组 + CAS + synchronized 的精细化控制结构，整体性能和可扩展性更强；
JDK8 的设计更加符合现代硬件架构，适合大规模并发场景

公众号名称：怪味Coding

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