JDK源码分析：ConcurrentHashMap（JDK1.7和JDK1.8），HashTable与Collections.synchronizedMap

概述

• ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap，提供与HashTable一样的线程安全特性。
• 与HashMap不同的是，除了线程安全之外，HashMap的key和value都支持null，而HashTable和ConcurrentHashMap的key和value都不允许是null。
• 与HashTable不同的是，ConcurrentHashMap不需要对所有需要线程安全保证的方法使用同步锁synchronized来进行加锁，synchronized加锁会导致任何时候只能存在一个线程进行读写操作。
• ConcurrentHash使用ReentrantLock（JDK1.7），或者CAS结合synchronized（JDK1.8）来实现线程安全，可以支持多个线程同时进行读写操作，提高并发读写的性能。
• HashTable与HashMap的数据结构基本一样，都是基于链式哈希实现的，具体为采用数组 + 链表（HashMap在JDK1.8也使用数组 + 红黑树）的实现方式。
• ConcurrentHashMap的实现方式和所使用的数据结构在JDK1.8中相对JDK1.7改动较大。

JDK1.7-ConcurrentHashMap

• JDK源码分析：ConcurrentHashMap（JDK1.7版本）
  

JDK1.8-ConcurrentHashMap

• JDK源码分析：ConcurrentHashMap（JDK1.8版本）
  

HashTable

• HashTable是同步版本的HashMap，内部数据结构与HashMap一样也都是使用链式哈希来实现的，即数组 + 链表（JDK1.8版本的HashMap新增了数组 + 红黑树的优化）。

• HashTable通过在方法中使用synchronized关键字修饰来进行线程同步，实现线程安全，但是由于是方法级别使用synchronized，即是使用HashTable对象自身作为monitor锁，故多个线程的读读，读写，写写都是互斥，即任何使用只能存在一个线程对HashTable对象进行访问，所以HashTable的并发性能是较低的。

• 链表节点定义：与HashMap一样都是继承于Map.Entry：value和next都是不需要使用volatile修饰的，因为synchronized同时具有线程同步和线程可见性的作用。

  /**
   * Hashtable bucket collision list entry
   */
  private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
      final int hash;
      final K key;
      V value;
      Entry<K,V> next;
  
      protected Entry(int hash, K key, V value, Entry<K,V> next) {
          this.hash = hash;
          this.key =  key;
          this.value = value;
          this.next = next;
      }
  
  	...
  	
  }
  

• 方法级别的synchronized同步：get，put等方法均是使用synchronized修饰

  // get读操作
  public synchronized V get(Object key) {
      Entry<?,?> tab[] = table;
      int hash = key.hashCode();
      
  	// %取模，而HashMap为通过位运算取模，性能较高
      int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
      for (Entry<?,?> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
          if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
              return (V)e.value;
          }
      }
      return null;
  }
  
  // put写操作
  public synchronized V put(K key, V value) {
      // Make sure the value is not null
      if (value == null) {
          throw new NullPointerException();
      }
  
      // Makes sure the key is not already in the hashtable.
      Entry<?,?> tab[] = table;
      int hash = key.hashCode();
      int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
      @SuppressWarnings("unchecked")
  
  	// 更新
      Entry<K,V> entry = (Entry<K,V>)tab[index];
      for(; entry != null ; entry = entry.next) {
          if ((entry.hash == hash) && entry.key.equals(key)) {
              V old = entry.value;
              entry.value = value;
              return old;
          }
      }
  
  	// 新增节点
      addEntry(hash, key, value, index);
      return null;
  }
  
  private void addEntry(int hash, K key, V value, int index) {
      modCount++;
  
      Entry<?,?> tab[] = table;
      if (count >= threshold) {
          // Rehash the table if the threshold is exceeded
          rehash();
  
          tab = table;
          hash = key.hashCode();
          index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
      }
  
      // Creates the new entry.
      @SuppressWarnings("unchecked")
      Entry<K,V> e = (Entry<K,V>) tab[index];
      tab[index] = new Entry<>(hash, key, value, e);
      count++;
  }
  

• 如果需要使用线程安全的HashMap，则优先考虑使用ConcurrentHashMap，或者使用Collections.synchronizedMap来将HashMap包装成线程安全的SynchronizedMap。因为ConcurrentHashMap和HashMap的实现更加高效，如根据key的hash计算哈希表table数组的下标的实现，HashTable是使用%取余，而ConcurrentHashMap和HashMap都是使用位运算，效率更高，所以整体性能高于HashTable。

Collections.synchronizedMap

• Collections.synchronizedMap的方法定义如下：将传入的Map使用SynchronizedMap包装后返回一个SynchronizedMap实例，SynchronizedMap是线程安全的，这是一种包装器设计模式的使用。

  /**
   * Returns a synchronized (thread-safe) map backed by the specified
   * map.  In order to guarantee serial access, it is critical that
   * all access to the backing map is accomplished
   * through the returned map.
  
   *
   * It is imperative that the user manually synchronize on the returned
   * map when iterating over any of its collection views:
   * 
   *  Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
   *      ...
   *  Set s = m.keySet();  // Needn't be in synchronized block
   *      ...
   *  synchronized (m) {  // Synchronizing on m, not s!
   *      Iterator i = s.iterator(); // Must be in synchronized block
   *      while (i.hasNext())
   *          foo(i.next());
   *  }
   * 
   * Failure to follow this advice may result in non-deterministic behavior.
   *
   * 
  The returned map will be serializable if the specified map is
   * serializable.
   *
   * @param  the class of the map keys
   * @param  the class of the map values
   * @param  m the map to be "wrapped" in a synchronized map.
   * @return a synchronized view of the specified map.
   */
  public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
      return new SynchronizedMap<>(m);
  }
  

• SynchronizedMap的定义：SynchronizedMap的实现主要是在内部定义了一个被包装的map的引用，一个对象锁mutex；

• 在方法内使用synchronized(mutex)，即使用同步代码块的方式来替代HashTable的使用同步方法的方式，缩小同步范围，提高性能，在代码块中对被包装的map进行操作，从而实现线程安全。

  private static class SynchronizedMap<K,V>
      implements Map<K,V>, Serializable {
      private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;
  
      private final Map<K,V> m;     // Backing Map
      final Object      mutex;        // Object on which to synchronize
  
      SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
          this.m = Objects.requireNonNull(m);
          mutex = this;
      }
  
      SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
          this.m = m;
          this.mutex = mutex;
      }
  
      public int size() {
          synchronized (mutex) {return m.size();}
      }
      public boolean isEmpty() {
          synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
      }
      public boolean containsKey(Object key) {
          synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
      }
      public boolean containsValue(Object value) {
          synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
      }
      public V get(Object key) {
          synchronized (mutex) {return m.get(key);}
      }
  
      public V put(K key, V value) {
          synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
      }
      public V remove(Object key) {
          synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
      }
      public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
          synchronized (mutex) {m.putAll(map);}
      }
      public void clear() {
          synchronized (mutex) {m.clear();}
      }
  	
  	...
  }