Java 经典面试题：为什么 ConcurrentHashMap 的读操作不需要加锁？

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来源：http://tinyurl.com/y685vvv9

我们知道，ConcurrentHashmap(1.8)这个并发集合框架是线程安全的，当你看到源码的get操作时，会发现get操作全程是没有加任何锁的，这也是这篇博文讨论的问题——为什么它不需要加锁呢？

ConcurrentHashMap的简介

我想有基础的同学知道在jdk1.7中是采用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式进行实现的，而1.8中放弃了Segment臃肿的设计，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现。

img

get操作源码

//会发现源码中没有一处加了锁public V get(Object key) {    Node[] tab; Node e, p; int n, eh; K ek;    int h = spread(key.hashCode()); //计算hash    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//读取首节点的Node元素        if ((eh = e.hash) == h) { //如果该节点就是首节点就返回            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))                return e.val;        }        //hash值为负值表示正在扩容，这个时候查的是ForwardingNode的find方法来定位到nextTable来        //eh=-1，说明该节点是一个ForwardingNode，正在迁移，此时调用ForwardingNode的find方法去nextTable里找。        //eh=-2，说明该节点是一个TreeBin，此时调用TreeBin的find方法遍历红黑树，由于红黑树有可能正在旋转变色，所以find里会有读写锁。        //eh>=0，说明该节点下挂的是一个链表，直接遍历该链表即可。        else if (eh < 0)            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;        while ((e = e.next) != null) {//既不是首节点也不是ForwardingNode，那就往下遍历            if (e.hash == h &&                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))                return e.val;        }    }    return null;}
public V get(Object key) {
    Node[] tab; Node e, p; int n, eh; K ek;
int h = spread(key.hashCode()); //计算hash
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//读取首节点的Node元素
if ((eh = e.hash) == h) { //如果该节点就是首节点就返回
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
        }
//hash值为负值表示正在扩容，这个时候查的是ForwardingNode的find方法来定位到nextTable来
//eh=-1，说明该节点是一个ForwardingNode，正在迁移，此时调用ForwardingNode的find方法去nextTable里找。
//eh=-2，说明该节点是一个TreeBin，此时调用TreeBin的find方法遍历红黑树，由于红黑树有可能正在旋转变色，所以find里会有读写锁。
//eh>=0，说明该节点下挂的是一个链表，直接遍历该链表即可。
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) {//既不是首节点也不是ForwardingNode，那就往下遍历
if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
        }
    }
return null;
}

get没有加锁的话，ConcurrentHashMap是如何保证读到的数据不是脏数据的呢？

volatile登场

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性、有序性。但不保证原子性。

普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

背景：为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。

img

总结下来：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

第三：由于线程1的工作内存中缓存变量的缓存行无效，所以线程1再次读取变量的值时会去主存读取。

是加在数组上的volatile吗?

/**     * The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.     * Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.     */    transient volatile Node[] table;
transient volatile Node[] table;

我们知道volatile可以修饰数组的，只是意思和它表面上看起来的样子不同。举个栗子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是数组元素的值是volatile的.

用volatile修饰的Node

get操作可以无锁是由于Node的元素val和指针next是用volatile修饰的，在多线程环境下线程A修改结点的val或者新增节点的时候是对线程B可见的。

static class Node implements Map.Entry {    final int hash;    final K key;    //可以看到这些都用了volatile修饰    volatile V val;    volatile Node next;    Node(int hash, K key, V val, Node next) {        this.hash = hash;        this.key = key;        this.val = val;        this.next = next;    }    public final K getKey()       { return key; }    public final V getValue()     { return val; }    public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }    public final String toString(){ return key + "=" + val; }    public final V setValue(V value) {        throw new UnsupportedOperationException();    }    public final boolean equals(Object o) {        Object k, v, u; Map.Entry e;        return ((o instanceof Map.Entry) &&                (k = (e = (Map.Entry)o).getKey()) != null &&                (v = e.getValue()) != null &&                (k == key || k.equals(key)) &&                (v == (u = val) || v.equals(u)));    }    /**     * Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses.     */    Node find(int h, Object k) {        Node e = this;        if (k != null) {            do {                K ek;                if (e.hash == h &&                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))                    return e;            } while ((e = e.next) != null);        }        return null;    }}class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
//可以看到这些都用了volatile修饰
volatile V val;
volatile Node next;

    Node(int hash, K key, V val, Node next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.val = val;
this.next = next;
    }

public final K getKey()       { return key; }
public final V getValue()     { return val; }
public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }
public final String toString(){ return key + "=" + val; }
public final V setValue(V value) {
throw new UnsupportedOperationException();
    }

public final boolean equals(Object o) {
        Object k, v, u; Map.Entry e;
return ((o instanceof Map.Entry) &&
                (k = (e = (Map.Entry)o).getKey()) != null &&
                (v = e.getValue()) != null &&
                (k == key || k.equals(key)) &&
                (v == (u = val) || v.equals(u)));
    }

/**
     * Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses.
     */
Node find(int h, Object k) {
        Node e = this;
if (k != null) {
do {
                K ek;
if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
return null;
    }
}

既然volatile修饰数组对get操作没有效果那加在数组上的volatile的目的是什么呢？

其实就是为了使得Node数组在扩容的时候对其他线程具有可见性而加的volatile

总结

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