ConcurrentHashMap（并发哈希映射）与集合并发：从 Segment（分段）锁到协助扩容

本章以 JDK（Java 开发工具包）8 为主线，比较 JDK（Java 开发工具包）7/17/21。目标是能讲清 JVM（Java 虚拟机）内的单键并发，而不把它误当分布式锁、数据库事务或恰好一次副作用。

版本	核心实现	本章结论
JDK（Java 开发工具包）7u80	`Segment`（分段）继承 `ReentrantLock`（可重入锁），段内 `HashEntry`（哈希条目）表。	以段拆开写竞争，读依赖易失可见性。
JDK（Java 开发工具包）8u402	懒 `table`（桶数组）、空桶 CAS（比较并交换）、冲突桶 `synchronized`（同步锁）。	无运行时 Segment（分段）；锁粒度到当前桶结构。
JDK（Java 开发工具包）17/21	保留桶级协调、协助扩容和分散计数。	JDK（Java 开发工具包）21 的桶访问采用获取/发布语义；私有实现可演进。

一手源码。 本机 JDK（Java 开发工具包）8：/Users/Lever/Library/Java/JavaVirtualMachines/corretto-1.8.0_402/Contents/Home/src.zip 的 java/util/concurrent/ConcurrentHashMap.java；本机 JDK（Java 开发工具包）21：/Users/Lever/Library/Java/JavaVirtualMachines/openjdk-21.0.2/Contents/Home/lib/src.zip 的 java.base/java/util/concurrent/ConcurrentHashMap.java；固定标签：JDK（Java 开发工具包）7u80-b15、JDK（Java 开发工具包）17.0.2、JDK（Java 开发工具包）21 API（应用程序接口）。

1. 契约：单键安全，不是全局业务事务

1.1 可见性、原子边界与 null（空值）

成功更新一个 key（键）与随后读到该 key（键）非空值之间建立 happens-before（先行发生）关系；它保证该映射的安全发布，不保证两个键、一次遍历、数据库或远程调用构成同一事务。键和值均禁止 null（空值）：get（读取）返回 null（空值）唯一表示缺失，避免“映射为空值”和“键不存在”必须二次检查而跨越并发窗口。

能保证	不能保证	工程责任
单键 `put`（写入）/`remove`（移除）和原子方法。	多键原子、实时快照。	状态机或数据库事务。
非空读取看到已发布节点。	跨 JVM（Java 虚拟机）互斥。	数据库唯一约束、Redis（远程字典服务）Lua（脚本语言）。
`null`（空值）表示无映射。	外部调用只执行一次。	幂等键、Outbox（发件箱）、对账。

flowchart LR
 A["线程甲 put（写入） k=RUNNING"] --> M["ConcurrentHashMap（并发哈希映射）单键发布"] --> B["线程乙 get（读取） k"]
 A -.不涵盖.-> D["数据库状态"]
 A -.不涵盖.-> R["另一实例与远程副作用"]

实线是单键发布；虚线必须由业务协议保证。没有整表锁，也不能把内存命中解释为持久化已提交。所有版本适用；误区是把“线程安全”说成全链路恰好一次。

2. JDK（Java 开发工具包）7：Segment（分段）锁

2.1 segments（分段数组）、HashEntry（哈希条目）与 concurrencyLevel（并发级别）

JDK（Java 开发工具包）7 以哈希高位路由到 segments（分段数组）；Segment（分段）继承 ReentrantLock（可重入锁），每段维护桶表、count（元素数）和阈值。HashEntry（哈希条目）的 value（值）/next（后继引用）和表槽位按易失语义访问，读通常不取段锁。concurrencyLevel（并发级别）被取整为段数提示，只允许不同段并行写；不是每 key（键）一把锁，也不是业务并发上限。

flowchart TB
 M["ConcurrentHashMap（并发哈希映射）"] --> S0["Segment 0\nReentrantLock（可重入锁）\nHashEntry（哈希条目）[]"]
 M --> S1["Segment 1\nReentrantLock（可重入锁）\nHashEntry（哈希条目）[]"]
 K["hash（哈希）高位"] --> S0

节点表示两级定位；一把锁保护一个段，不保护每个键。仅 JDK（Java 开发工具包）7 主路径适用；误区是将构造提示误说成固定并发度。

字段/流程	作用	代价
`segmentShift`（段位移）/掩码	从哈希高位选段。	热点落同段仍串行。
段内 `put`（写入）	获取段锁后找桶、更新或扩容。	同段写互斥。
易失读取	读表/节点通常不取锁。	不是整表快照。

2.2 JDK（Java 开发工具包）7 的 size（元素数）

size（元素数）多轮读取每段 count（元素数）和 modCount（结构修改计数）；修改计数稳定则接受汇总，持续变化达到阈值才锁住所有段统计。因此通常避免全段锁，高写压力下会退化为锁全部 Segment（分段）。

阶段	做法	边界
重试	比较各段 `modCount`（结构修改计数）总和。	尽力稳定，不是无锁事务。
兜底	锁所有 Segment（分段）再相加。	写入被阻塞。
溢出	返回 `Integer.MAX_VALUE`（整数最大值）。	`int`（整数）接口限制。

3. JDK（Java 开发工具包）8+：桶级 CAS（比较并交换）与 synchronized（同步锁）

3.1 table（桶数组）、sizeCtl（容量控制字段）与 putVal（内部写入方法）

table（桶数组）首次 put（写入）才由 initTable（初始化表方法）建立。sizeCtl（容量控制字段）为 0（默认初始容量）、表未建时正初始容量、-1（初始化中）、表建成后的正扩容阈值，或扩容中的负状态（resize stamp（扩容戳）加工作者状态）。空桶用 CAS（比较并交换）安装 Node（节点）；冲突桶才锁当前桶首 Node（节点）或 TreeBin（树桶），并在锁内二次确认首对象未换。

sequenceDiagram
 participant A as 线程甲
 participant T as table（桶数组）
 participant B as 线程乙
 A->>T: CAS sizeCtl（容量控制字段）为 -1，初始化
 B->>T: 空桶 CAS（比较并交换） null→Node（节点）
 A->>A: 冲突桶 synchronized（同步锁）桶首
 A->>T: 校验桶首后更新链/TreeBin（树桶）
 Note over A,T: 更新路径遇 MOVED（迁移中标记）才可 helpTransfer（协助迁移方法）

CAS（比较并交换）只抢空槽/初始化；synchronized（同步锁）不是整表锁，也不是永久桶锁，树化和扩容会替换桶首。适用于 JDK（Java 开发工具包）8+；不要把 JDK（Java 开发工具包）7 的 Segment（分段）带入此路径。

`sizeCtl`（容量控制字段）	含义	不应误解为
`0`（零）/表未建正数	默认或初始容量提示。	已有容量。
`-1`（负一）	初始化排他。	整表锁。
表建成后的正数	下一次扩容阈值。	当前元素数。
其他负数	扩容代次与协作者状态。	业务可依赖的位协议。

3.2 JMM（Java 内存模型）发布与读取

JDK（Java 开发工具包）8 的 tabAt（读取桶位方法）使用 Unsafe（非安全底层工具）易失读取，CAS（比较并交换）安装空桶，setTabAt（设置桶位方法）保守地易失发布；JDK（Java 开发工具包）21 用 getReferenceAcquire（获取引用）与 putReferenceRelease（发布引用），仍结合 CAS（比较并交换）和桶首监视器。结论是“先构造后发布、读取按获取语义观察”，不是某个私有方法名永不改变。

动作	JDK（Java 开发工具包）8	JDK（Java 开发工具包）21	结论
读桶首	易失读取。	获取引用。	看到安全发布节点。
安装空桶	对象 CAS（比较并交换）。	引用 CAS（比较并交换）。	同一空槽只有一个赢家。
锁内发布	易失写。	发布引用。	构造写不被重排到发布后。

4. 扩容：协作迁移而非整表停顿

4.1 nextTable（新桶数组）、transferIndex（迁移索引）与 ForwardingNode（转发节点）

扩容创建 nextTable（新桶数组）。线程 CAS（比较并交换）递减 transferIndex（迁移索引）领取由 stride（迁移步长）界定的桶区间；搬完旧桶就在原槽放 ForwardingNode（转发节点）。JDK（Java 开发工具包）8+/21 的 get（读取）遇到它会调用 ForwardingNode.find（转发节点查找方法）沿 nextTable（新桶数组）查找，Iterator（迭代器）的 Traverser（遍历器）只切换遍历表；两者不调用 helpTransfer（协助迁移方法）、不领取迁移区间。put（写入）/replace（替换）/compute（计算更新方法）等更新路径遇 MOVED（迁移中标记）才可调用 helpTransfer（协助迁移方法）参与搬迁。resize stamp（扩容戳）与工作者计数放在 sizeCtl（容量控制字段）中防混代。

flowchart TB
 N["nextTable（新桶数组）"] --> I["transferIndex（迁移索引）=16"]
 I --> A["甲 CAS（比较并交换）领取 12..15"]
 I --> B["乙 CAS（比较并交换）领取 8..11"]
 A --> F["旧槽 ForwardingNode（转发节点）"]
 B --> F
 F --> G["get（读取）：find（查找）沿 nextTable（新桶数组）"]
 F --> V["Traverser（遍历器）：切换遍历表"]
 F --> H["更新路径见 MOVED（迁移中标记）→ helpTransfer（协助迁移方法）"]
 H --> T["完成后发布新 table（桶数组）"]

transferIndex（迁移索引）是工作领取指针，不是元素数；转发节点是导航路标，不是业务映射。图中的 get（读取）与 Traverser（遍历器）只导航，只有更新路径可加入协作。适用于 JDK（Java 开发工具包）8+；误区是扩容期间全表不可读，或把读路径误说成参与搬迁。

时刻	指针	甲	乙
T0	16	未领取。	建新表。
T1	12	领 `[12,16)`。	待领。
T2	8	搬迁。	领 `[8,12)`。
T3	0	见转发节点转新表。	收尾。

4.2 baseCount（基础计数）与 CounterCell（计数单元）

新增/删除先 CAS（比较并交换）baseCount（基础计数）；竞争时按线程探针写 CounterCell（计数单元），持续冲突才扩槽。sumCount（计数汇总方法）相加基础与所有单元；size（元素数）夹到 int（整数）范围，mappingCount（映射计数）给非负 long（长整数）。汇总期间写仍可发生，因此不是任意时刻线性一致。

flowchart LR
 W["写线程"] --> B["CAS（比较并交换）baseCount（基础计数）"]
 B -->|失败| C["按 probe（探针）更新 CounterCell（计数单元）"]
 B -->|成功| S["基础计数"]
 C --> Q["sumCount（计数汇总方法）"]
 S --> Q --> R["size（元素数）/mappingCount（映射计数）估算"]

槽是分散热点，不是一线程一槽；适用于 JDK（Java 开发工具包）8+。误区是将 mappingCount（映射计数）的更宽类型误称为更强一致。

API（应用程序接口）	结果	边界
`sumCount`（计数汇总方法）	基础加所有槽。	并发观察窗口。
`size`（元素数）	`int`（整数）夹值。	可饱和。
`mappingCount`（映射计数）	非负 `long`（长整数）。	仍非快照。

5. 原子复合操作与弱一致迭代

5.1 computeIfAbsent（不存在则计算）不是远程事务

if (get == null) put 存在 check-then-act（先检查再执行）：两个线程可同时回源。putIfAbsent（不存在则写入）、computeIfAbsent（不存在则计算）、compute（计算更新方法）、merge（合并）只提供一个键的一次调用边界；函数返回 null（空值）表示不建/删除，异常不会形成该次映射更新。空桶计算会使用 ReservationNode（预留节点）；慢函数可能占住桶协调路径，递归更新同一映射可能抛 IllegalStateException（非法状态异常）。

方法	单键语义	禁止推导
`putIfAbsent`（不存在则写入）	原子安装已算好的值。	值只计算一次。
`computeIfAbsent`（不存在则计算）	协调缺失键建立。	网络调用/跨实例只执行一次。
`compute`（计算更新方法）/`merge`（合并）	单键重映射。	多键或数据库事务。

5.2 weakly consistent（弱一致）遍历和 bulk（批量）操作

Iterator（迭代器）/forEach（逐个处理）不抛 CME（并发修改异常）；公开契约只说明元素反映 Iterator（迭代器）创建时或之后某个时点的状态，不保证快照、完全实时或固定结果集合。当前 JDK（Java 开发工具包）8+ 的 Traverser（遍历器）遇 ForwardingNode（转发节点）只切换遍历表，不领取迁移任务；这是实现导航细节，调用方不得依赖它推导遍历去重、顺序或结果集合语义。并行 forEach（逐个处理）/reduce（归约）可用 ForkJoinPool（分治线程池）公共池，函数必须无顺序依赖、无阻塞和可安全合并。

sequenceDiagram
 participant I as Iterator（迭代器）
 participant M as Map（映射接口）
 participant W as 写线程
 I->>M: 看见 A
 W->>M: 插入 B，旧桶放 ForwardingNode（转发节点）
 I->>M: 转新表继续
 Note over I,M: 元素反映创建时或之后某时点；不是快照

图中没有迭代锁，转发节点只导航、不协助搬迁。JDK（Java 开发工具包）8+ 的 Traverser（遍历器）这样实现，但公开弱一致契约仅保证不抛 CME（并发修改异常）及元素的观察时点；调用方不得依赖图推导不重复、顺序或完整集合。误区是“弱一致=实时快照”。

操作	并发语义	使用边界
Iterator（迭代器）	不抛 CME（并发修改异常），非快照。	导出/对账不能作为权威来源。
并行 `forEach`（逐个处理）	可拆公共池。	不阻塞、不依赖顺序。
`size`（元素数）	分散计数汇总。	趋势监控，不作精确判决。

6. 容器选型与项目边界

6.1 读写比例、迭代、null（空值）与内存

容器	适用	迭代/复合操作	null（空值）与成本
ConcurrentHashMap（并发哈希映射）	读写都多、单键状态。	弱一致；原子只单键。	不允许空键/值；结构额外内存。
`Collections.synchronizedMap`（同步映射包装器）	低并发旧代码。	所有访问/迭代持同一锁。	取决于底层；整表锁。
Hashtable（哈希表）	兼容旧 API（应用程序接口）。	实例锁；复合操作仍须锁协议。	禁止空值；新路径不推荐。
CopyOnWriteArrayList（写时复制列表）/CopyOnWriteArraySet（写时复制集合）	读极多写极少监听器。	稳定数组快照。	写复制整数组，内存峰值高。
不可变快照	配置发布、一致读取。	建新对象后替换引用。	复制成本随发布频率增长。

7. 排障、示例与复习

7.1 证据链：热点、慢函数、扩容、OOM（内存溢出）

现象	证据	根因/修复
线程 `BLOCKED`（阻塞）	多次 `jstack`（线程栈工具）、持锁栈。	热点 key（键）/碰撞/慢 `compute`（计算更新方法）；缩短函数、分片、限流。
CPU（中央处理器）高	火焰图、JFR（Java 飞行记录器）。	CAS（比较并交换）竞争、迁移、昂贵哈希；专用计数/改善键。
延迟与表增长	条目、新键率、GC（垃圾回收）、P99（99 分位响应时间）。	连续扩容、无界键；TTL（存活时间）、上限、背压。
OOM（内存溢出）	Heap（堆）转储、支配树、垃圾回收根引用链。	未清理/值过大；清理、淘汰、生命周期治理。
漏/重导出	持久化对账与迭代日志。	弱一致当快照；改一致读或版本快照。

项目话术。 ConcurrentHashMap（并发哈希映射）只承接 Runner（执行器）句柄、导出进度、缓存和有界告警窗口；我监控键数、TTL（存活时间）、写入率、堆和淘汰。库存/支付/多实例任务使用数据库唯一约束和状态机，Redis（远程字典服务）Lua（脚本语言）或消息系统承担共享原子性。发生问题先以线程 dump（线程转储）、火焰图、堆转储建立证据，而不盲目换容器。

7.2 可执行示例与复习清单

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;

public final class ConcurrentMapExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ConcurrentHashMap<String, LongAdder> counts = new ConcurrentHashMap<>();
        CountDownLatch ready = new CountDownLatch(2), start = new CountDownLatch(1), done = new CountDownLatch(2);
        Runnable task = () -> { ready.countDown(); try { start.await(); counts.computeIfAbsent("sku-8", k -> new LongAdder()).increment(); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); throw new AssertionError(e); } finally { done.countDown(); } };
        new Thread(task).start(); new Thread(task).start(); ready.await(); start.countDown(); done.await();
        if (counts.get("sku-8").sum() != 2L) throw new AssertionError("并发验证失败");
        System.out.println("count=2");
    }
}

可用 JDK（Java 开发工具包）8/21 的 javac ConcurrentMapExample.java && java ConcurrentMapExample 运行，预期稳定输出 count=2（计数等于二）。

能区分 JDK（Java 开发工具包）7 Segment（分段）与 JDK（Java 开发工具包）8+ 桶协调。
能画出 ForwardingNode（转发节点）和 transferIndex（迁移索引）的协作扩容。
能说明计数是估算、迭代是弱一致、原子方法只覆盖单键。
能明确本地容器与数据库/Redis（远程字典服务）/消息系统的责任边界。

ConcurrentHashMap（并发哈希映射）与集合并发：从 Segment（分段）锁到协助扩容

ConcurrentHashMap（并发哈希映射）与集合并发：从 Segment（分段）锁到协助扩容

1. 契约：单键安全，不是全局业务事务

1.1 可见性、原子边界与 null（空值）

热门面试题

2. JDK（Java 开发工具包）7：Segment（分段）锁

2.1 segments（分段数组）、HashEntry（哈希条目）与 concurrencyLevel（并发级别）

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2.2 JDK（Java 开发工具包）7 的 size（元素数）

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3. JDK（Java 开发工具包）8+：桶级 CAS（比较并交换）与 synchronized（同步锁）

3.1 table（桶数组）、sizeCtl（容量控制字段）与 putVal（内部写入方法）

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3.2 JMM（Java 内存模型）发布与读取

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4. 扩容：协作迁移而非整表停顿

4.1 nextTable（新桶数组）、transferIndex（迁移索引）与 ForwardingNode（转发节点）

热门面试题

4.2 baseCount（基础计数）与 CounterCell（计数单元）

热门面试题

5. 原子复合操作与弱一致迭代

5.1 computeIfAbsent（不存在则计算）不是远程事务

热门面试题

5.2 weakly consistent（弱一致）遍历和 bulk（批量）操作

热门面试题

6. 容器选型与项目边界

6.1 读写比例、迭代、null（空值）与内存

热门面试题

7. 排障、示例与复习

7.1 证据链：热点、慢函数、扩容、OOM（内存溢出）

热门面试题

7.2 可执行示例与复习清单

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