[JAVA] #3 ConcurrentHashMap의 동작 구조

서론

배열과 컬렉션의 내용을 정리하던 중, ConcurrentHashMap은 좀 더 상세하게 다룰 필요가 있다고 생각해 별도 페이지로 작성했다.

정의

ConcurrentHashMap은 Java에서 동시성 문제를 해결하기 위해 설계된 스레드 안전한 HashMap이다.
Java 1.5부터 java.util.concurrent 패키지에 포함되어 있으며, 여러 스레드가 동시에 읽고 쓸 수 있도록 특별한 락 분할 메커니즘을 사용한다.

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만들어진 배경

• 기존 HashMap은 멀티스레드 환경에서 동기화가 되어 있지 않아 race condition이 발생할 수 있음
• 이를 해결하기 위해 Hashtable이나 synchronizedMap을 사용했지만, 이들은 전체 맵에 대해 synchronized 처리를 하여 성능 병목이 생김.

=> 이를 개선하고자 보다 정교하게 동기화를 제어할 수 있는 ConcurrentHashMap이 등장하였다.

race condition: 둘 이상의 스레드가 동시에 같은 자원에 접근하거나 변경하면서, 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 문제 상황

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특징

• 세분화된 락(분할 락):
  Java 8 이전까지는 Segment 단위로 락을 나눴고, Java 8부터는 bucket(배열의 각 요소) 단위로 동기화하여 병렬성을 높였다.

• 읽기 작업은 락 없이 처리

  대부분의 읽기 작업은 락 없이 진행되며, 변경 작업만 최소한의 락으로 처리된다.
  

• null key, null value 금지

  null 키나 null 값을 허용하지 않으며, NullPointerException이 발생한다.
  

• 성능 중심 설계

  락의 범위를 최소화하여 성능 저하 없이 스레드 안전성을 확보했다.
  

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동작 구조

1. 버킷이 비어 있으면 락 없이 넣는다 (CAS)

• 데이터를 넣을 위치(버킷)가 비어 있으면,
• 복잡한 락 없이, 한 번에 넣을 수 있는 방법(CAS)을 사용해 데이터를 삽입
  CAS(Compare-And-Swap): "현재 값이 예상한 값과 같으면 새로운 값으로 바꿔라!" 라는 조건부 연산

  // Java의 AtomicInteger에서 예시
  AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
  count.compareAndSet(0, 1); // 현재 값이 0이면 1로 바꿔라

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2. 충돌하면 그 버킷만 잠근다 (synchronized)

• 같은 버킷에 여러 데이터가 들어가야 할 때(해시 충돌),
• 전체 맵을 잠그지 않고 그 버킷 하나만 잠근다.
• 해당 방법으로 병렬 처리 성능 유지

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3. 충돌이 많아지면 연결 리스트를 트리로 바꾼다

• 같은 버킷에 데이터가 너무 많이 몰리면
• 단순히 줄 세우는 연결 리스트보다, 검색 빠른 트리(Red-Black Tree)로 바꿔서
• 성능 저하를 막는다.

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장점과 단점

장점

• 높은 동시성 처리: 여러 스레드가 동시에 읽기/쓰기 가능
• Deadlock 방지: 전체 맵을 잠그지 않기 때문에 병목이 적음
• 신뢰성 있는 동시 처리: 락이 세분화되어 있어 race condition 방지에 효과적

단점

• null 키/값 불가: 기존 HashMap과 달리 null 관련 유연성이 없음
• 복잡한 내부 구현: 구조가 복잡해 디버깅이나 커스터마이징이 어려움
• 특정 상황에서의 성능 저하: 높은 충돌률 시 segment 간 contention 발생 가능
  contention(락 경쟁, 경합): 여러 스레드가 한개 버킷에 접근할 때 버킷의 락이 병목 지점이 돼서 여러 스레드가 대기 상태에 빠지는 상황

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🔸 동시성 처리 비교

컬렉션	스레드 안전성	성능	비고
HashMap	X	빠름	동기화 불가
Hashtable	O	느림	전체 메서드 동기화
Collections.synchronizedMap()	O	보통	단일 락 기반
ConcurrentHashMap	O	가장 빠름	세분화된 락, 병렬성 우수

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