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Java 源码解析中 ConcurrentHashMap 的分段锁与 CAS 演进过程

胖晨酱_2635

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发布时间:2026-08-05 12:24:25

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来源于php中文网

原创

ConcurrentHashMap锁机制演进本质是持续缩小锁粒度、减少竞争、降低开销:JDK1.7采用分段锁(Segment),默认16段,每段独立加ReentrantLock;JDK1.8废弃Segment,改用CAS+桶级synchronized,锁粒度细化至单个Node,并引入红黑树与多线程扩容。

java 源码解析中 concurrenthashmap 的分段锁与 cas 演进过程

ConcurrentHashMap 的锁机制演进,本质是不断缩小锁粒度、减少竞争、降低开销的过程。JDK 1.7 的分段锁是重要过渡,JDK 1.8 则用 CAS + 桶级 synchronized 彻底重构,不再有 Segment。

分段锁(JDK 1.7):把锁“切片”

分段锁不是给整个 Map 加一把锁,而是把数据分成多个逻辑段(默认 16 个 Segment),每个 Segment 是一个继承 ReentrantLock 的独立锁对象,内部维护自己的 HashEntry 数组和扩容阈值。

  • 线程操作前先哈希定位到具体 Segment,只锁定该段,其他段可并发访问
  • 写操作(如 put)需获取对应 Segment 的锁;读操作在大多数情况下无需加锁,靠 volatile 和 UNSAFE 保证可见性
  • 并发度上限由 Segment 数量决定,默认 16,无法动态调整

JDK 1.8 彻底移除 Segment:锁粒度降到桶级别

1.8 版本完全废弃 Segment 结构,核心数组变为 Node[] table,锁对象不再是 Segment,而是每个桶(数组槽位)的头节点。

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  • 插入时,若桶为空,优先用 CAS 设置新节点;若桶非空,则对头节点加 synchronized 锁(锁的是 Node 对象本身)
  • 链表长度 ≥ 8 且数组长度 ≥ 64 时转为红黑树,避免长链表带来的串行化瓶颈
  • 扩容采用多线程协作迁移,通过 sizeCtl 状态变量协调,避免单线程阻塞整个 Map

CAS 在 ConcurrentHashMap 中的关键作用

CAS 不是替代锁,而是与锁协同的无锁优化手段,主要用在低竞争场景:

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  • 初始化 table:多个线程同时调用 put,仅一个能通过 CAS 将 sizeCtl 设为 -1,获得初始化权限
  • 插入首个节点:桶为空时,直接 CAS 设置新 Node,避免进入同步块
  • 更新计数器:size() 方法不直接累加,而是通过 baseCount + CounterCell 数组 CAS 更新,减少竞争

为什么放弃分段锁?不只是“更细”,更是结构简化

分段锁的问题不止于粒度偏粗,还带来结构性负担:

  • 每个 Segment 都是一套完整子哈希表,含冗余元数据(threshold、count 等),内存占用高
  • 扩容需逐个 Segment 扩容,逻辑复杂且难以并行
  • Segment 数量固定,无法随负载动态伸缩,并发能力僵化
  • 无法引入红黑树优化查询,链表过长时性能明显下降

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