Java集合框架中的HashMap与线程安全

HashMap不是线程安全的，多线程下put、get或扩容可能引发死循环、数据丢失或NullPointerException；ConcurrentHashMap通过分桶加锁、CAS及volatile实现高并发安全；Collections.synchronizedMap则全局串行化，适用极低并发场景。

HashMap在多线程环境下会出什么问题

直接说结论：HashMap 不是线程安全的，多线程同时执行 put、get 或扩容操作时，可能触发死循环、数据丢失、甚至 NullPointerException。典型表现是 CPU 占用飙升（JDK 7 中链表成环导致遍历死循环），或返回 null 值（JDK 8 中并发 put 覆盖未同步的节点）。

根本原因在于：内部数组扩容（resize）和节点迁移过程没有同步控制，多个线程同时操作同一桶（bucket）时，链表/红黑树结构会被错误重排。

• JDK 7：扩容时头插法 + 多线程并发迁移 → 链表成环 → get() 死循环
• JDK 8：虽改用尾插法避免成环，但 putVal() 中的 CAS 和 synchronized 粒度仅限单个桶，仍无法保证跨桶操作（如 resize 触发全局 rehash）的原子性
• 即使只读（全 get），若期间发生扩容，也可能读到不一致的中间状态（如新旧 table 并存时未完全迁移的节点）

ConcurrentHashMap 是怎么解决的

ConcurrentHashMap 的设计目标不是“全程加锁”，而是分段控制 + 无锁化优化。JDK 8 起彻底放弃分段锁（Segment），改用更细粒度的 synchronized 锁住单个桶（Node 链表头节点），配合 CAS 操作实现高并发写入。

关键机制包括：

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• 初始化时懒加载 table，避免无谓内存占用
• 扩容时允许多线程协作迁移（transfer()），每个线程负责一部分桶，通过 sizeCtl 控制协调
• 读操作（get）完全无锁，依赖 volatile 语义保证可见性；写操作仅对冲突桶加锁，不影响其他桶
• 当链表长度 ≥ 8 且 table.length ≥ 64 时自动转为红黑树，降低查找时间复杂度

ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("a", 1); // 锁住 hash 对应的桶头节点
map.get("b");     // 不加锁，直接 volatile 读

什么时候该用 Collections.synchronizedMap

Collections.synchronizedMap(new HashMap()) 是最简单的线程安全包装方案，但它把所有方法（put、get、size、keySet().iterator()）都串行化了——每次调用都锁住整个 map 对象。

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适用场景非常有限：

• 读多写少，且并发量极低（比如配置缓存，启动后基本只读）
• 需要保持 HashMap 的行为兼容性（如允许 null key/value，而 ConcurrentHashMap 不允许 null key 或 value）
• 迭代时必须保证强一致性（synchronizedMap 的 iterator() 是同步的，而 ConcurrentHashMap 迭代器是弱一致性的）

注意：keySet()、values()、entrySet() 返回的集合本身不带同步，必须手动同步外部迭代：

Map syncMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
// ❌ 错误：迭代时不加锁
for (String key : syncMap.keySet()) { ... }
// ✅ 正确：显式同步整个 map 实例
synchronized (syncMap) {
    for (String key : syncMap.keySet()) { ... }
}

别踩这些坑

很多看似“安全”的写法其实掩盖了并发风险：

• 用 final 修饰 HashMap 字段 ≠ 线程安全（只是引用不可变，内部状态仍可被并发修改）
• ConcurrentHashMap 的 computeIfAbsent 是原子的，但传入的 mappingFunction 内部若访问共享变量，仍需自行同步
• size() 在 ConcurrentHashMap 中是估算值（各段计数异步汇总），不能用于条件判断（如 if (map.size() == 0) 应改用 isEmpty()）
• 混合使用 put 和 replace 时，要注意 replace(key, oldVal, newVal) 的三参数版本才是原子比较并替换，两参数版本不检查旧值

最常被忽略的一点：线程安全只解决数据结构本身的并发问题，不解决业务逻辑的竞态。比如“先查再 put”这种模式，无论用哪种 Map，都必须用 computeIfAbsent 或外部锁兜底。