如何分析 ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 中通过 CAS 与 synchronized 实现的分段锁优化

轻墨大大_1475

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2026-04-16

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原创

jdk 1.8 中 concurrenthashmap 彻底移除了 segment 和分段锁,改用 cas + 单桶(table[i])级 synchronized 实现更细粒度并发控制;size()、扩容等均基于 table 数组与 countercell 协作完成,无任何“段”概念。

如何分析 concurrenthashmap 在 jdk 1.8 中通过 cas 与 synchronized 实现的分段锁优化

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 中根本没有分段锁 —— 它彻底移除了 Segment,所谓“分段锁优化”是误传或混淆了 JDK 1.7 的设计。真正起作用的是 CAS + 单桶(table[i])级 synchronized,粒度比 Segment 更细,也更轻量。

为什么说“分段锁优化”这个说法本身就不成立

JDK 1.7 确实用 Segment 数组实现分段锁,每个 Segment 是一个独立的 ReentrantLock,并发度默认为 16;但 JDK 1.8 的源码里已完全删掉 Segment 类,ConcurrentHashMap 的核心字段只剩 table、nextTable、sizeCtl 和 baseCount。所有“分段”“段锁”“并发度设置”等概念在 1.8 中既无对应类,也无对应逻辑。

  • 调用 new ConcurrentHashMap(16, 0.75f, 32) 时,第三个参数(原 JDK 1.7 的 concurrencyLevel)会被忽略,仅用于计算初始容量
  • size() 不再遍历多个 Segment 求和,而是依赖 baseCount + CounterCell 数组的 CAS 累加
  • 扩容不再按 Segment 分批进行,而是由多个线程协作迁移 table 中的桶(transfer 方法)

tabAt 和 casTabAt 是 CAS 操作的实际入口

所有无锁写入都围绕这两个 Unsafe 辅助方法展开,它们直接操作 table 数组的指定下标,不依赖锁:

  • tabAt(table, i):volatile 读取 table[i],保证看到其他线程写入的最新节点
  • casTabAt(table, i, c, v):比较并交换 table[i],仅当当前值等于 c 时才设为 v;失败则重试(如 putVal 中的 for 自旋)
  • 初始化 table、插入首个节点、协助扩容标记位(MOVED)、更新计数器等关键路径都优先走 CAS

注意:casTabAt 失败不等于操作失败,而是进入下一步:检查是否需要加锁(比如该桶已有节点,需 synchronized 链表头节点)。

什么时候会触发 synchronized?只锁链表/红黑树的首节点

不是锁整个数组,也不是锁某个逻辑“段”,而是当 CAS 插入失败且桶非空时,对 table[i] 当前引用的首节点加锁:

  • 锁对象是 f(即 tabAt(table, i) 返回的 Node),不是 this,也不是全局锁
  • 加锁后检查该桶是否已被其他线程改为红黑树(fh ),若是则走树的插入逻辑;否则遍历链表或插入尾部
  • 红黑树的读写操作(putTreeVal、find)内部也只对树根节点加锁,不影响其他桶
  • 这意味着:两个线程往不同桶(i != j)写,完全无竞争;往同一桶写,才可能因锁首节点而短暂阻塞

容易被忽略的细节:volatile 的边界与 sizeCtl 的多重语义

volatile 修饰的字段不是万能的,它只保证单变量的可见性,不保证复合操作原子性。例如:

  • table 是 volatile,但 table[i] = new Node(...) 这一赋值本身是原子的;而 table[i].val = value 依赖节点内 val 字段也是 volatile 才可见
  • sizeCtl 是个“多面手”:初始化时为 -1,扩容中为 -(1 + 参与扩容线程数),扩容结束前为新容量阈值,正常运行时为下次扩容阈值;读写它必须配合 CAS,不能直接赋值
  • 链表转红黑树的条件有两个缺一不可:binCount >= TREEIFY_THRESHOLD (8) 且 tab.length >= MIN_TREEIFY_CAPACITY (64);少一个都不会触发树化,这点常被调试时忽略

真正难啃的部分不在“怎么加锁”,而在理解 sizeCtl 状态机、transfer 协作迁移协议、以及 CounterCell 如何避免计数热点 —— 这些才是 JDK 1.8 并发设计的实质复杂点。

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