聊聊ConcurrentHashMap

一、為什么需要ConcurrentHashMap

1、HashMap 線(xiàn)程不安全

在多線(xiàn)程環(huán)境下，使用HashMap進(jìn)行 put 操作的時(shí)候可能造成死循環(huán)，導(dǎo)致 CPU 使用率太高

為什么HashMap線(xiàn)程不安全?

在 put 的時(shí)候，插入元素超過(guò)了容量，就會(huì)進(jìn)行rehash，這個(gè)會(huì)重新將原數(shù)組的內(nèi)容重新hash到新的擴(kuò)容數(shù)組中，在多線(xiàn)程的環(huán)境下，存在同時(shí)其他的元素也在進(jìn)行 put 操作，如果 hash 值相同，可能出現(xiàn)同時(shí)在同一數(shù)組下用鏈表表示，造成閉環(huán)，導(dǎo)致在 get 時(shí)會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)，所以不安全

2、HashTable 安全但是效率太低了

因?yàn)?HashTable 是利用 synchronized 來(lái)保證線(xiàn)程安全的，在線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下效率將會(huì)非常低。因?yàn)樵谝粋€(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同步方法的時(shí)候，其他線(xiàn)程只能阻塞等待。

二、ConcurrentHashMap 的 好處

實(shí)現(xiàn)了前面的兩個(gè)問(wèn)題 ：線(xiàn)程安全了 并且也解決了HashTable 效率低下的問(wèn)題

三、怎么解決效率低下的問(wèn)題

這個(gè)主要是運(yùn)用了分段鎖（segment）的思想

HashTable 為什么效率低，就是因?yàn)樗嵌鄠€(gè)線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖，那么如果容器里面有很多把鎖，這個(gè)問(wèn)題是不是就可以解決了，這個(gè)就是ConcurrentHashMap所使用的分段鎖技術(shù)。

首先將數(shù)據(jù)分為一段一段的進(jìn)程存儲(chǔ)，然后給每一段分別加上鎖，當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程占用鎖訪(fǎng)問(wèn)其中一個(gè)段的數(shù)據(jù)的時(shí)候，其他段的數(shù)據(jù)也可以被其他線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)。

接下來(lái)我們就重點(diǎn)講講分段鎖吧

ConcurrentHashMap 是由Segment 數(shù)組結(jié)構(gòu)和HashEntry數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的。Segment是一種可重入鎖ReentrantLock，在 ConcurrentHashMap 里面扮演鎖的角色，HashEntry 則是用來(lái)村塾鍵值對(duì)數(shù)據(jù)。一個(gè) ConcurrentHashMap 里面包含一個(gè) Segment數(shù)組，Segment的結(jié)構(gòu)和HashMap類(lèi)似，是一種數(shù)組+鏈表結(jié)構(gòu)，一個(gè)Segment里面包含一個(gè) HashEntry數(shù)組，每個(gè)HashEntry是一個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的元素，每個(gè)Segment守護(hù)一個(gè)HashEntry數(shù)組里面的元素，當(dāng)對(duì)HashEntry數(shù)組的元素進(jìn)行修改時(shí)，必須首先獲得它對(duì)應(yīng)的Segment鎖。可以說(shuō)，ConcurrentHashMap是一個(gè)二級(jí)的哈希表。在一個(gè)總的哈希表下面還有若干個(gè)子哈希表。

四、采用分段鎖技術(shù)的好處：并發(fā)的讀寫(xiě)

case1：不同Segment的并發(fā)寫(xiě)入：

不同的Segment的寫(xiě)入是可以并發(fā)執(zhí)行的

case 2：同一個(gè)Segment 的寫(xiě)

Segment的寫(xiě)入是需要上鎖的，因此對(duì)同一個(gè)Segment的并發(fā)寫(xiě)會(huì)被阻塞

case 3：同一個(gè)Segment 的寫(xiě)-讀

同一個(gè)Segment的寫(xiě)-讀是可以并發(fā)執(zhí)行的

五、詳細(xì)看看 讀-寫(xiě) 的過(guò)程

1、讀：Get()

• 為輸入的Key做 Hash 運(yùn)算，得到 hash 值
• 通過(guò) hash 值，定位到對(duì)應(yīng)的Segment 對(duì)象
• 再次通過(guò) hash 值，定位到 Segment 當(dāng)中數(shù)組的具體位置

讀操作其實(shí)是沒(méi)有鎖的，第一次通過(guò) hash 定位到 Segment 上，第二次通過(guò) hash 定位到 具體元素上。因?yàn)?hashEntry 中的 value 屬性是用 volatile 修飾的，保證了可見(jiàn)性，所以每次獲取的都死最新值。

2、寫(xiě)：Put()

• 為輸入的 Key 做 Hash 運(yùn)算，得到 hash 值
• 通過(guò) hash 值，定位到對(duì)應(yīng)的 Segment 對(duì)象
• 獲取可重入鎖
• 再次通過(guò) hash 值，定位到 Segment 當(dāng)中數(shù)組的具體位置
• 插入或覆蓋 HashEntry 對(duì)象
• 釋放鎖

總結(jié)：可以看出ConcurrentHashMap在讀寫(xiě)的時(shí)候都需要兩次定位。首先是定位到 Segment ，然后再定位到 Segment 下的具體的數(shù)組下標(biāo)

六、size() 怎么 解決一致性問(wèn)題

size()目的是統(tǒng)計(jì)ConcurrentHashMap的總元素?cái)?shù)量，自然需要把各個(gè)Segment 內(nèi)部的元素都加起來(lái)。但是在統(tǒng)計(jì)數(shù)量的時(shí)候，有可能 已經(jīng)統(tǒng)計(jì)過(guò)的Segment順佳插入了新的元素，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該怎么辦？下面我們來(lái)看看ConcurrentHashMap的size()，他是一個(gè)嵌套循環(huán)，大致邏輯如下：

遍歷所有的 Segment

把 Segment 的元素?cái)?shù)量累加起來(lái)

把 Segment 的修改次數(shù)累加起來(lái)

判斷所有 Segment 的總修改次數(shù)是否大于上一次的總修改次數(shù)。如果大于，說(shuō)明統(tǒng)計(jì)過(guò)程中有修改，重新統(tǒng)計(jì)，嘗試次數(shù)+1；如果不是，說(shuō)明沒(méi)有修改，統(tǒng)計(jì)結(jié)束

如果嘗試次數(shù)超過(guò)閾值，則對(duì)每一個(gè) Segment 加鎖，在重新統(tǒng)計(jì)

再次判斷所有 Segment 的總修改次數(shù)是否大于上一次的總修改次數(shù)。由于已經(jīng)加鎖，次數(shù)一定和上一次相同

釋放鎖，統(tǒng)計(jì)結(jié)束

總結(jié)：一開(kāi)始對(duì) Segment 不加鎖，而是直接嘗試將所有的 Segment 元素中的count相加，這樣執(zhí)行兩次，然后將兩次的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果兩次結(jié)果相同則直接返回；如果不相同，則將所有的Segment加鎖，然后再次執(zhí)行統(tǒng)計(jì)得到對(duì)應(yīng)的 size 值。

七、再看看1.8是怎么實(shí)現(xiàn)的

1.8 拋棄了分段鎖（Segment），而是采取的是 CAS + Synchronized 的方式

將1.7里面的 HashEntry 改為 Node ，但是作用是一樣的。

先看看一個(gè)概念：樂(lè)觀(guān)鎖和悲觀(guān)鎖

悲觀(guān)鎖：認(rèn)為對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作，一定是為發(fā)生修改的

樂(lè)觀(guān)鎖：對(duì)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作是不會(huì)發(fā)生修改的，在更新的時(shí)候會(huì)采取嘗試更新不斷嘗試的方式更新數(shù)據(jù)

CAS（compare and swap,比較交換）原理：

CAS有三個(gè)操作數(shù)，內(nèi)存值V、預(yù)期值A(chǔ)、要修改的值B，當(dāng)且僅當(dāng)A和V相等時(shí)才會(huì)將V修改為B，否則什么也不會(huì)做。

CAS的缺點(diǎn)：

存在 ABA 問(wèn)題，解決辦法，添加版本號(hào)

循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)銷(xiāo)大

只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的聊聊ConcurrentHashMap的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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