ConcurrentHashMap：Java多线程下的一把利器

《Java零基础教学》是一套深入浅出的 Java 编程入门教程。全套教程从Java基础语法开始，适合初学者快速入门，同时也从实例的角度进行了深入浅出的讲解，让初学者能够更好地理解Java编程思想和应用。

本教程内容包括数据类型与运算、流程控制、数组、函数、面向对象基础、字符串、集合、异常处理、IO 流及多线程等 Java 编程基础知识，并提供丰富的实例和练习，帮助读者巩固所学知识。本教程不仅适合初学者学习，也适合已经掌握一定 Java 基础的读者进行查漏补缺。

前言

在Java的多线程编程中，线程安全是一项非常重要的任务。由于线程之间的执行是并发的，因此可能会出现竞态条件。为了保证程序的正确性和效率，必须采取一些措施来解决这些问题。ConcurrentHashMap是Java多线程编程中的一把利器，它可以提供高性能的并发访问，同时又保证了线程安全。

摘要

本文将介绍ConcurrentHashMap的原理以及使用方法。首先讲解ConcurrentHashMap的基本原理和数据结构，然后详细讲解ConcurrentHashMap的使用方法，包括如何插入和删除元素、如何查找元素、如何进行遍历等。最后，对ConcurrentHashMap进行了性能测试，并给出了相应的测试结果和分析。通过本文的学习，读者可以了解到ConcurrentHashMap的内部原理和使用方法，以及在多线程编程中如何使用ConcurrentHashMap提供的高性能的并发访问。

ConcurrentHashMap

基本原理

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全的哈希表，它是基于哈希表的数据结构实现的。其内部采用了分段锁的机制，即将整个哈希表分成多个小的哈希表，每个小的哈希表都有一个独立的锁。这样可以有效地提高并发访问的效率。

ConcurrentHashMap的数据结构和HashMap基本相同，它们都是由数组和链表组成的。而在ConcurrentHashMap中，每个数组元素都是一个链表的头结点，每个链表的结点就是一个键值对（Entry）。与HashMap不同的是，ConcurrentHashMap中的链表是单向链表，这是为了减少读操作的时候的锁竞争，提高读操作的效率。

下面是ConcurrentHashMap的主要属性和方法的介绍：

• Segment<K,V>[] segments：存储ConcurrentHashMap的所有分段锁。
• HashEntry<K,V>[] table：存储ConcurrentHashMap的所有键值对，其中的每个元素都是一个链表的头结点。
• put(K key, V value)：向ConcurrentHashMap中插入一个键值对。
• get(Object key)：从ConcurrentHashMap中获取指定键的值。
• remove(Object key)：从ConcurrentHashMap中删除指定键的值。
• size()：返回ConcurrentHashMap中键值对的数量。

使用方法

ConcurrentHashMap的使用方法非常简单，下面是一些示例代码：

ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("apple", 1);
map.put("banana", 2);
map.put("pear", 3);
System.out.println(map.get("apple"));
System.out.println(map.size());
map.remove("banana");

上面代码中，我们首先创建了一个ConcurrentHashMap对象，并向其中插入了三个键值对。然后我们获取了键"apple"对应的值，并输出了ConcurrentHashMap中键值对的数量。最后，我们删除了键"banana"对应的值。

常用方法

ConcurrentHashMap提供了很多方法来处理键值对，下面是一些常用的方法：

• put(K key, V value)：向ConcurrentHashMap中插入一个键值对。
• get(Object key)：从ConcurrentHashMap中获取指定键的值。
• remove(Object key)：从ConcurrentHashMap中删除指定键的值。
• containsKey(Object key)：判断ConcurrentHashMap中是否包含指定的键。
• containsValue(Object value)：判断ConcurrentHashMap中是否包含指定的值。
• clear()：清空ConcurrentHashMap中的所有键值对。
• keySet()：返回ConcurrentHashMap中所有键的Set集合。
• values()：返回ConcurrentHashMap中所有值的Collection集合。
• entrySet()：返回ConcurrentHashMap中所有键值对的Set集合。

我们可以根据具体的需求来选择合适的方法来处理键值对。

代码方法介绍

插入元素

ConcurrentHashMap可以使用put方法来插入元素，该方法的原型如下：

public V put(K key, V value) {
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key.hashCode());
    return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);
}

这个方法首先判断value是否为空，如果为空则抛出NullPointerException异常。然后它调用hash方法来计算键的哈希值，接着通过segmentFor方法来找到对应的分段锁，并调用该分段锁的put方法将键值对插入到对应的链表中。

删除元素

ConcurrentHashMap可以使用remove方法来删除元素，该方法的原型如下：

public V remove(Object key) {
    int hash = hash(key.hashCode());
    return segmentFor(hash).remove(key, hash, null);
}

这个方法首先调用hash方法来计算键的哈希值，然后通过segmentFor方法来找到对应的分段锁，并调用该分段锁的remove方法将键值对从对应的链表中删除。

查找元素

ConcurrentHashMap可以使用get方法来查找元素，该方法的原型如下：

public V get(Object key) {
    int hash = hash(key.hashCode());
    return segmentFor(hash).get(key, hash);
}

这个方法首先调用hash方法来计算键的哈希值，然后通过segmentFor方法来找到对应的分段锁，并调用该分段锁的get方法来查找对应的键值对并返回对应的值。

遍历元素

ConcurrentHashMap可以通过entrySet方法来获取所有的键值对，然后可以通过迭代器来遍历所有的元素。另外，也可以通过keySet方法来获取所有的键或者通过values方法来获取所有的值，然后进行遍历。

测试用例

下面是ConcurrentHashMap的测试用例：

put()

    // 测试put方法
    @Test
    public void testPut() {
        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", "value1");
        map.put("key2", "value2");
        map.put("key3", "value3");

        System.out.println(map);
    }

测试结果如下：

size()

    // 测试size方法
    @Test
    public void testSize() {
        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", "value1");
        map.put("key2", "value2");
        map.put("key3", "value3");

        System.out.println("map.size() = " + map.size());
        Assertions.assertEquals(3, map.size());
    }

测试结果如下：

containsKey()

    // 测试containsKey方法
    @Test
    public void testContainsKey() {
        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", "value1");
        map.put("key2", "value2");
        map.put("key3", "value3");
        System.out.println("map=" + map);
        System.out.println("map.containsKey(\"key1\") = " + map.containsKey("key1"));
        assertTrue(map.containsKey("key1"));
    }

测试结果如下：

containsValue()

    // 测试containsValue方法
    @Test
    public void testContainsValue() {
        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", "value1");
        map.put("key2", "value2");
        map.put("key3", "value3");
        System.out.println("map=" + map);
        System.out.println("map.containsKey(\"value2\") = " + map.containsValue("value2"));
        System.out.println("map.containsKey(\"value4\") = " + map.containsValue("value4"));
        assert map.containsValue("value4");
    }

测试结果如下：

remove()

    // 测试remove方法
    @Test
    public void testRemove() {
        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("key1", "value1");
        map.put("key2", "value2");
        map.put("key3", "value3");
        System.out.println("移除前map=" + map);
        map.remove("key1");
        System.out.println("移除后map=" + map);

        assertEquals(2, map.size());
        assertNull(map.get("key1"));
    }

测试结果如下：

全文小结

本文介绍了Java多线程下的一种高效的线程安全的Map实现：ConcurrentHashMap。它采用了分段锁的方式，将整个Map分为多个Segment，每个Segment都是一个独立的Hash表。不同的线程可以同时访问不同的Segment，因此可以实现高并发的访问。本文还介绍了ConcurrentHashMap的使用方法、方法介绍、测试用例等内容，希望读者可以从中学到有用的知识。

最后

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