ConcurrentHashMap是Java中线程安全的哈希表类，在高并发场景下使用锁分段机制以保证线程安全，同时保持较高的性能。相比较于HashMap的线程不安全和Hashtable的性能较差的特点，ConcurrentHashMap提供了更好的性能和扩展性。

ConcurrentHashMap经历了两个版本的迭代，如下所示。

• 在JDK 1.7版本的实现中ConcurrentHashMap是基于分段锁机制（Segmented Locking），实现
• 在JDK 1.8版本的实现中ConcurrentHashMap取消了分段锁，反而采用了CAS 和 synchronized 相结合的机制来保证安全性。

下面我们就来分别介绍一下两个版本下的ConcurrentHashMap。

JDK 1.7版本的ConcurrentHashMap

在JDK 1.7中，ConcurrentHashMap是通过分段锁（Segment）机制实现，其底层结构由多个Segment组成，每个Segment维护一个哈希表，类似于一个小型的Hashtable。并且每个Segment有一个锁（ReentrantLock），并维护自己的一部分数据。

在ConcurrentHashMap中当对某个键值对进行操作时，只会对对应的Segment上锁，而不会对整个ConcurrentHashMap上锁，对于读取操作几乎不需要加锁。这使得并发操作可以局部化，提高了性能。

主要流程

• 初始化：ConcurrentHashMap会在初始化时创建若干个Segment。默认情况下有16个Segment（可以通过构造函数改变）。
• 哈希寻址：每次操作，首先根据键值通过哈希函数定位到具体的Segment。
• 分段锁机制：如果是读操作，直接读取；如果是写操作，则需要对目标Segment加锁。

缺点

JDK 1.7 的ConcurrentHashMap最大的缺点是存在“Segment”级别的锁，虽然已经比单个锁的粒度更细，但如果多个线程集中操作同一个 Segment，锁竞争仍然比较严重。

JDK 1.8版本的ConcurrentHashMap

在JDK 1.8中，ConcurrentHashMap进行了重大改进，取消了Segment，直接基于Node[]数组和synchronized与CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）操作来实现线程安全。

它的基础数据结构是一个Node数组，这个数组中的每个元素是一个链表或红黑树，在链表长度大于一定阈值时转换为红黑树，规则与HashMap类似。

在对某些重要字段进行更新时，通过CAS来保证线程安全操作，而synchronized则是在链表或红黑树的插入、删除等复杂操作时通过synchronized锁定了当前的桶位，这里需要主要它锁定的不是整个ConcurrentHashMap，由于锁定的粒度较小，所以性能也不会受到太大的影响。

主要流程

• 哈希计算：ConcurrentHashMap 仍然使用哈希算法来确定某个键应该放在哪个槽位（Node[] 数组中的哪个位置）。
• 链表/红黑树：每个槽位中的数据结构可能是一个链表或红黑树。如果链表长度超过 8，则会将链表转换为红黑树，以优化查询效率。
• CAS 插入：插入元素时，首先使用 CAS 尝试将新元素放入空槽位。如果成功，则插入完成；如果槽位已被占用，则需要进行进一步操作。
• synchronized 操作：当发生冲突（即同一个槽位已有数据）时，ConcurrentHashMap 会通过 synchronized 锁定该槽位，进行链表或树的操作，但锁的粒度非常细。
• 扩容：与 HashMap 类似，ConcurrentHashMap 也支持动态扩容。当数组的使用率超过某个阈值时（默认是 0.75），就会触发扩容操作。扩容时，通过分批次的方式（分段扩容），每次扩展部分槽位，减少扩容时的性能损耗。

优点

• JDK 1.8 的 ConcurrentHashMap 不再依赖于分段锁，而是对每个桶位进行精细的锁定（利用 CAS 和 synchronized）。这种方式极大提高了并发性能。
• 扩容时的分批操作减少了锁定时间，提升了整体效率。
• 当链表长度超过一定阈值时，自动转换为红黑树，优化了极端情况下的查询和插入性能。

ConcurrentHashMap的使用场景

ConcurrentHashMap适用于高并发场景，尤其是在以下场景中，它能够发挥较好的性能

• 缓存系统，当大部分操作是读缓存，偶尔有写入缓存时，ConcurrentHashMap可以提供极高的并发性能。
• 统计数据或计数器的累积，当我们需要在多个线程中共享统计数据时，使用ConcurrentHashMap可以确保线程安全，同时避免全局锁的性能损耗。
• 分布式系统中的共享数据结构，在分布式系统中，有时需要在多线程环境下操作全局的共享数据结构。使用ConcurrentHashMap可以有效保证线程安全。
• 需要高吞吐量的业务场景，如网站的用户请求统计、实时数据处理等场景，需要快速读写操作，同时又需要保证线程安全时，ConcurrentHashMap是非常适合的。

总结

ConcurrentHashMap是Java中为解决高并发环境下哈希表的线程安全问题而设计的。它在JDK 1.8中进行了显著的性能优化，利用CAS和精细化的锁机制，极大提升了并发处理能力。