JavaWeb19-线程安全&非安全容器
目录
1.非线程安全容器
2.线程安全容器
3.关于HashMap
PS：HashMap常考知识点：
3.1.HashMap 是线程不安全的，其主要体现：
3.1.1.死循环问题——形成的原因是头插法 + 链表 + 多线程并发 + HashMap 扩容。
3.1.2.数据覆盖问题
3.1.3.无序性问题
3.2.线程安全字典
3.2.1.Hashtable
3.2.2.ConcurrentHashMap
1.非线程安全容器
Java 标准库中很多都是线程不安全的，这些类可能会涉及到多线程修改共享数据，⼜没有任何加锁措施。
- ArrayList -> 可换为Vector (不推荐使⽤) /借助锁
- LinkedList
- HashMap -> 可换为ConcurrentHashMap / Hashtable (不推荐直接使⽤)
- TreeMap
- HashSet
- TreeSet
- StringBuilder -> 可换为StringBuffer
2.线程安全容器
- Vector (不推荐使⽤，性能低)
- Hashtable (不推荐使⽤，是给整个方法全部加了synchronized锁，锁的粒度太大，性能比较低)
- ConcurrentHashMap（并不是给整个方法加锁，性能较高些）
- StringBuffer
3.关于HashMap
PS：HashMap常考知识点：
- 底层数据结构实现。
- 负载因子/扩充因子作用。
- 哈希冲突是如何解决的？
- 是否是线程安全的？为什么？
- 如何解决线程安全问题？①加锁；②使用ConcurrentHashMap来替代HashMap。
- ConcurrentHashMap是如何实现线程安全的？
3.1.HashMap 是线程不安全的，其主要体现：
- 在 jdk 1.7 中，在多线程环境下，扩容时因为采⽤头插法，会造成环形链（死循环）或数据丢失（数据覆盖）。
- 在 jdk 1.8 中，在多线程环境下，会发⽣数据覆盖的情况。
3.1.1.死循环问题——形成的原因是头插法 + 链表 + 多线程并发 + HashMap 扩容。
HashMap jdk 1.7 扩容核⼼源码：
void transfer(KeyStore.Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry e : table) {
while(null != e) {
Entry next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
//通过 key 值的 hash 值和新数组的⼤⼩算出在当前数组中的存放位置
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
} 前置知识：
在JDK1.7中HashMap的底层数据实现是数组+链表的方式：
而HashMap在数据添加时使用的是头插入：
HashMap正常情况下的扩容实现：
旧 HashMap 的节点会依次转移到新 HashMap 中，旧 HashMap 转移的顺序是 A、B、C，而新 HashMap 使用的是头插法，所以最终在新 HashMap 中的顺序是 C、B、A。
死循环执行步骤1
死循环是因为并发 HashMap 扩容导致的。线程 T1 和线程 T2 要对 HashMap 进行扩容操作，此时 T1 和 T2 指向的是链表的头结点元素 A，而 T1 和 T2 的下一个节点，也就是 T1.next 和 T2.next 指向的是 B 节点：
死循环执行步骤2
线程 T2 时间片用完进入休眠状态，而线程 T1 开始执行扩容操作，线程 T1 扩容完成后，因为是头插法，所以 HashMap 的顺序已经发生了改变；而线程 T2 才被唤醒，线程 T2 对于发生的一切是不可知的，所以它的指向元素依然没变：
死循环执行步骤3
当线程T1执行完，而线程T2恢复执行时：T1 执行完之后的顺序是 B 到 A，而 T2 的顺序是 A 到 B，这样 A 节点和 B 节点就形成死循环了：
HashMap 死循环的常用解决方案有以下 3 个：
- 使用线程安全容器 ConcurrentHashMap 替代（推荐使用此方案）。
- 使用线程安全容器 Hashtable 替代（性能低，不建议使用）。
- 使用 synchronized 或 Lock 加锁 HashMap 之后，再进行操作，相当于多线程排队执行（比较麻烦，也不建议使用）。
3.1.2.数据覆盖问题
数据覆盖执行步骤1
线程 T1 判断某个位置可插入元素，准备将数据 k1:v1 插入到 Null 处，但还没有真正插入，自己的时间片就用完了，进入休眠状态：
数据覆盖执行步骤2
线程 T2 准备将数据 k2:v2 插入到 Null 处（T2产生的哈希值和T1相同），因为此处现在并未有值，如果此处有值，它会使用链式法将数据插入到下一个没值的位置上，但判断之后发现此处并未有值，那么就直接进行数据插入了：
数据覆盖执行步骤3
线程 T2 执行完成之后，线程 T1 恢复执行，因为线程 T1 之前已经判断过此位置没值了，它感知不到现在此位置已经有值了，所以会直接插入，此时线程 T2 插入的值就被覆盖了：
解决方案：
使用ConcurrentHashMap来代替HashMap。
3.1.3.无序性问题
这里的无序性问题指的是 HashMap 添加和查询的顺序不一致，导致程序执行的结果和程序员预期的结果不相符：
HashMap map = new HashMap<>();
// 添加元素
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
map.put("2022-10-" + i, "Hello，Java：" + i);
}
// 查询元素
map.forEach((k, v) -> {
System.out.println(k + "：" + v);
}); 添加的顺序：
输出结果：
解决方案：
只需将HashMap替换成LinkedHashMap即可。
LinkedHashMap map = new LinkedHashMap<>();
// 添加元素
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
map.put("2022-10-" + i, "Hello，Java：" + i);
}
// 查询元素
map.forEach((k, v) -> {
System.out.println(k + "：" + v);
}); 
小结：
HashMap 的3个经典问题：其中死循环和数据覆盖是发生在并发添加元素时，而无序问题是添加元素的顺序和查询的顺序不一致的问题。
这些问题本质来说都是对 HashMap 使用不当才会造成的问题，比如在多线程情况下就应该使用 ConcurrentHashMap，想要保证插入顺序和查询顺序一致就应该使用 LinkedHashMap。
3.2.线程安全字典
- Hashtable
- ConcurrentHashMap
3.2.1.Hashtable
- 如果多线程访问同⼀个 Hashtable 就会直接造成锁冲突。
- size 属性也是通过 synchronized 来控制同步，也是⽐较慢的。
- ⼀旦触发扩容，就由该线程完成整个扩容过程。这个过程会涉及到⼤量的元素拷⻉，效率会⾮常低。
3.2.2.ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多线程版本，HashMap 在并发操作时会有各种问题，比如死循环、数据覆盖等问题。而这些问题只要使用 ConcurrentHashMap 就可以完美解决了，那么 ConcurrentHashMap 是如何保证线程安全的？
JDK 1.7 底层实现
ConcurrentHashMap 在不同的 JDK 版本中实现是不同的，在 JDK 1.7 中它使用的是数组+链表的形式实现的，而数组又分为：大数组 Segment 和小数组 HashEntry。 大数组 Segment 可以理解为 MySQL 中的数据库，而每个数据库（Segment）中又有很多张表 HashEntry，每个 HashEntry 中又有多条数据，这些数据是用链表连接的：
JDK 1.7 线程安全实现
了解了 ConcurrentHashMap 的底层实现，再看它的线程安全实现就比较简单了。 接下来，我们通过添加元素 put 方法，来看 JDK 1.7 中 ConcurrentHashMap 是如何保证线程安全的，具体实现源码如下：
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 在往该 Segment 写入前，先确保获取到锁
HashEntry node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
// Segment 内部数组
HashEntry[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
// 更新已有值...
} else {
// 放置 HashEntry 到特定位置，如果超过阈值则进行 rehash
// 忽略其他代码...
}
}
} finally {
// 释放锁
unlock();
}
return oldValue;
} 从上述源码可以看出，Segment 本身是基于 ReentrantLock 实现的加锁和释放锁的操作，这样就能保证多个线程同时访问 ConcurrentHashMap 时，同一时间只有一个线程能操作相应的节点，这样就保证了 ConcurrentHashMap 的线程安全了。 也就是说 ConcurrentHashMap 的线程安全是建立在 Segment 加锁的基础上的，所以我们把它称之为分段锁或片段锁，如下图所示：
JDK 1.8 底层实现
在 JDK 1.7 中，ConcurrentHashMap 虽然是线程安全的，但因为它的底层实现是数组 + 链表的形式，所以在数据比较多的情况下访问是很慢的，因为要遍历整个链表，而 JDK 1.8 则使用了数组 + 链表/红黑树的方式优化了 ConcurrentHashMap 的实现，具体实现结构如下：
链表升级为红黑树的规则：当链表长度大于 8，并且数组的长度大于 64 时，链表就会升级为红黑树的结构。
PS：ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 虽然保留了 Segment 的定义，但这仅仅是为了保证序列化时的兼容性，不再有任何结构上的用处了。
JDK 1.8 线程安全实现
在 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是 CAS + volatile 或 synchronized 的方式来保证线程安全的，它的核心实现源码如下：
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node[] tab = table;;) {
Node f; int n, i, fh; K fk; V fv;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 节点为空
// 利用 CAS 去进行无锁线程安全操作，如果 bin 是空的
if (casTabAt(tab, i, null, new Node(hash, key, value)))
break;
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
else if (onlyIfAbsent
&& fh == hash
&& ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
&& (fv = f.val) != null)
return fv;
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
// 细粒度的同步修改操作...
}
}
// 如果超过阈值，升级为红黑树
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
} 从上述源码可以看出，在 JDK 1.8 中，添加元素时首先会判断容器是否为空，如果为空则使用 volatile 加 CAS 来初始化。如果容器不为空则根据存储的元素计算该位置是否为空，如果为空则利用 CAS 设置该节点；如果不为空则使用 synchronize 加锁，遍历桶中的数据，替换或新增节点到桶中，最后再判断是否需要转为红黑树，这样就能保证并发访问时的线程安全了。 我们把上述流程简化一下，我们可以简单的认为在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 是在头节点加锁来保证线程安全的，锁的粒度相比 Segment 来说更小了，发生冲突和加锁的频率降低了，并发操作的性能就提高了。而且 JDK 1.8 使用的是红黑树优化了之前的固定链表，那么当数据量比较大的时候，查询性能也得到了很大的提升，从之前的 O(n) 优化到了 O(logn) 的时间复杂度，具体加锁示意图如下：
总结
ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 时使用的是数据加链表的形式实现的，其中数组分为两类：大数组 Segment 和小数组 HashEntry，而加锁是通过给 Segment 添加 ReentrantLock 锁来实现线程安全的。
而 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是数组+链表/红黑树的方式实现的，它是通过 CAS 或 synchronized 来实现线程安全的，并且它的锁粒度更小，查询性能也更高。