深入浅出ConcurrentHashMap详解
文章目录
- 1、前言
- 2、什么是ConcurrentHashMap
- 3、Put 操作
- 4、Get 操作
- 5、高并发线程安全
- 6、JDK8 的改进
-
- 6.1 结构改变
- 6.2 HashEntry 改为 Node
- 6.3 Put 操作的变化
- 6.4 Get 操作的变化
- 6.5 总结
1、前言
学习本章之前，先学习：深入浅出HashMap详解（JDK7）
简单回顾一下 HashMap 的结构：
在 JDK7 下，高并发时，有可能出现下面的环形链表：
要避免 HashMap 的线程安全问题，有多个解决方法，比如改用 HashTable 或者 Collections.synchronizedMap() 方法。
但是这两者都有一个问题，就是性能，无论读还是写，他们两个都会给整个集合加锁，导致同一时间的其他操作阻塞。
ConcurrentHashMap 的优势在于兼顾性能和线程安全，一个线程进行写操作时，它会锁住一小部分，其他部分的读写不受影响，其他线程访问没上锁的地方不会被阻塞。
2、什么是ConcurrentHashMap
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap属于 JUC 包下的一个集合类，可以实现线程安全。
它由多个 Segment 组合而成。Segment 本身就相当于一个 HashMap 对象。同 HashMap 一样，Segment 包含一个 HashEntry 数组，数组中的每一个 HashEntry 既是一个键值对，也是一个链表的头节点。
单一的 Segment 结构如下：
像这样的 Segment 对象，在 ConcurrentHashMap 集合中有多少个呢？有 2 的 N 次方个，共同保存在一个名为 segments 的数组当中。
因此整个ConcurrentHashMap的结构如下：
可以说，ConcurrentHashMap 是一个二级哈希表。在一个总的哈希表下面，有若干个子哈希表。
它的核心属性：
其中，Segment是它的一个内部类，主要组成如下：
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;
// 和 HashMap 中的 HashEntry 作用一样，真正存放数据的桶
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
transient int count;
transient int modCount;
transient int threshold;
final float loadFactor;
// ...
}
HashEntry也是一个内部类，主要组成如下：
和 HashMap 的 Entry 基本一样，唯一的区别就是其中的核心数据如 value ，以及链表都是 volatile 修饰的，保证了获取时的可见性。
这里不介绍构造函数。
3、Put 操作
查看源码：
首先是通过 key 定位到 Segment，之后在对应的 Segment 中进行具体的 put。
虽然 HashEntry 中的 value 是用 volatile 关键词修饰的，但是并不能保证并发的原子性，所以 put 操作时仍然需要加锁处理。
首先第一步的时候会尝试获取锁，如果获取失败肯定就有其他线程存在竞争，则利用 scanAndLockForPut() 自旋获取锁。
1、尝试自旋获取锁。
2、如果重试的次数达到了 MAX_SCAN_RETRIES 则改为阻塞锁获取，保证能获取成功。
1、加锁操作；
2、遍历该 HashEntry，如果不为空则判断传入的 key 和当前遍历的 key 是否相等，相等则覆盖旧的 value。
3、为空则需要新建一个 HashEntry 并加入到 Segment 中，同时会先判断是否需要扩容。
4、释放锁；
4、Get 操作
源码：
Get 操作比较简单：
1、Key 通过 Hash 之后定位到具体的 Segment；
2、再通过一次 Hash 定位到具体的元素上；
3、由于 HashEntry 中的 value 属性是用 volatile 关键词修饰的，保证了内存可见性，所以每次获取时都是最新值。
ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的，因为整个过程都不需要加锁。
5、高并发线程安全
Put 操作时，锁的是某个 Segment，其他线程对其他 Segment 的读写操作均不影响。因此解决了线程安全问题。
6、JDK8 的改进
以上介绍的是 JDK8 以前的情况，到了 JDK8 则有了一些改进。
6.1 结构改变
首先是结构上的变化，和 HashMap 一样，数组+链表改为数组+链表+红黑树。
6.2 HashEntry 改为 Node
和 JDK7 的 HasEntry 作用相同，对 val 和 next 都用了 volatile 关键字，保证了可见性。
6.3 Put 操作的变化
1、根据 key 计算出 hashcode，然后开始遍历 table；
2、判断是否需要初始化；
3、f 即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。
4、如果当前位置的 hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。
5、如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。
7、如果数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树。
6.4 Get 操作的变化
根据计算出来的 hashcode 寻址，如果就在桶上那么直接返回值。
如果是红黑树那就按照树的方式获取值。
都不满足那就按照链表的方式遍历获取值。
6.5 总结
1.8 在 1.7 的数据结构上做了大的改动，采用红黑树之后可以保证查询效率（O(logn)），甚至取消了 ReentrantLock 改为了 synchronized，这样可以看出在新版的 JDK 中对 synchronized 优化是很到位的。