Java-多线程-深入理解ConcurrentHashMap

什么是ConcurrentHashMap？

    ConcurrentHashMap（Concurrent：并存的，同时发生的；）
    ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全的哈希表实现，它可以在多线程环境下高效地进行并发操作。

为什么有ConcurrentHashMap？

    HashMap线程不安全，在多线程操作下可能会导致数据错乱

和HashMap区别

示例代码对比

    使用HashMap和ConcurrentHashMap分别实现以下需求。
        用30个线程向实例化出的map中插入key，value。每一次插入后，把map打印出来（for循环中sout）
        key为for循环中的i值
        value：使用UUID

public class HashMapUnsafeTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //演示HashMap
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            String key = String.valueOf(i);
            new Thread(() -> {
                //向集合添加内容
                map.put(key, UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
                //从集合中获取内容
                System.out.println(map);
            }, "").start();
        }
    }
}

public class ConcurrentHashMapSafe {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //演示ConcurrentHashMap
        Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            String key = String.valueOf(i);
            new Thread(() -> {
                //向集合添加内容
                map.put(key, UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));
                //从集合中获取内容
                System.out.println(map);
            }, "").start();

        }
    }
}

    多个线程同时对同一个集合进行增删操作导致错误

JDK7和JDK8中ConcurrentHashMap整体架构的区别

JDK7中

JDK8中

使用到的数据结构：数组、单向链表、红黑树

其中涉及到几个核心的参数

// 最大容量，2^30
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认长度
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;


//遗留问题：为什么树化条件是8而取消树化条件却是6呢？
// 链表树化条件-是根据线程竞争情况和红黑树的操作成本进行设计的。
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 取消树化条件-为了避免过度的树化，防止内存占用过高。
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;              //链表结构中，每个节点只需要存储指向下一个节点的指针，而不需要存储节点的值。因此，链表只需要存储节点的引用，占用较少的内存空间。树结构中每个节点需要存储节点的值以及指向子节点的指针。

    核心为Hash表，存在Hash冲突问题
    使用链式存储方式解决冲突，冲突较多时，导致链表过长，查询效率较低，在JDK1.8中引入红黑树机制；
    当数组长度大于64，且链表长度大于等于8时，单项链表转为红黑树
    当链表长度小于6时，红黑树会退化为单向链表

ConcurrentHashMap的基本功能

    本质上是一个HashMap，功能和HashMap是一样的
    但ConcurrentHashMap在HashMap基础上提供了并发安全的实现，主要通过对node节点加锁实现，来保证对数据更新的安全性
锁粒度变小

在性能方面的优化

    在JDK1.8中锁的粒度是数组中的某一个节点，在JDK1.7中锁定的是一个Segment，锁的范围更大
    保证线程安全机制：
        JDK7采用segment的分段锁机制实现线程安全，其中segment继承自ReentrantLock。
        JDK8采用CAS(读)+Synchronized(写)保证线程安全。

    锁的粒度：原来是对需要进行数据操作的Segment加锁，JDK8调整为对每个数组元素加锁（Node）。

    链表转化为红黑树：定位结点的hash算法简化会带来弊端，Hash冲突加剧，因此在链表节点数量大于8时，会将链表转化为红黑树进行存储。

使用到的技术-CAS

概念说明

CAS的全称是：比较并交换（Compare And Swap）。在CAS中，有这样三个值：
    V：要更新的变量(var)
    E：预期值(expected)
    N：新值(new)

比较并交换的过程如下：

    判断V是否等于E，如果等于，将V的值设置为N；如果不等，说明已经有其它线程更新了V，则当前线程放弃更新，什么都不做。

举例说明

    如果有一个多个线程共享的变量i原本等于5，我现在在线程A中，想把它设置为新的值6;
我们使用CAS来做这个事情；
    首先我们用i去与5对比，发现它等于5，说明没有被其它线程改过，那我就把它设置为新的值6，此次CAS成功，i的值被设置成了6；
    如果不等于5，说明i被其它线程改过了（比如现在i的值为2），那么我就什么也不做，此次CAS失败，i的值仍然为2。

底层原理

    unsafe类——以下是类中涉及到的三个方法用来实现CAS效果的，这三个方法都是由native进行修饰的。具体的实现是由C++写的。

代码演示

没有使用CAS的代码

package com.example.threadpool.CAS;



public class NoCASDemo {

    private static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //线程一
        Thread thread1= new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<10000;i++){
                counter++;
            }
        });
        //线程二
        Thread thread2= new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<10000;i++){
                counter++;
            }
        });
        //执行线程
        thread1.start();
        thread2.start();
        //等待执行完线程1和2
        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("查看counter的总数"+counter);
    }

}

使用CAS的代码

package com.example.threadpool.CAS;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;



public class CASDemo {

    private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //线程一
        Thread thread1= new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<10000;i++){
                increment();
            }
        });
        //线程二
        Thread thread2= new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<10000;i++){
                increment();
            }
        });
        //执行线程
        thread1.start();
        thread2.start();
        //等待执行完线程1和2
        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("查看counter的总数"+counter.get());
    }

    public static void increment() {
        int currentValue;
        int newValue;
        do {
            //获取counter对象的value值
            currentValue = counter.get();
            //将counter对象的value值加1
            newValue = currentValue + 1;

        } while (!counter.compareAndSet(currentValue, newValue));
    }

}

总结

    总的来说，ConcurrentHashMap是Java中线程安全的哈希表实现，它通过使用锁分段技术来提供高效的并发性能。相比于Hashtable，ConcurrentHashMap在多线程环境下能够更好地支持高并发读写操作。

    使用ConcurrentHashMap可以在多线程环境下安全地进行数据操作，而无需手动加锁。它通过将整个数据结构分成多个段来实现并发性能的提升，不同的线程可以同时访问不同的段，从而减少了线程之间的竞争。

    ConcurrentHashMap的设计考虑了线程安全和性能的平衡。它提供了一些有用的方法，如putIfAbsent()、replace()等，可以方便地进行原子性的操作。此外，ConcurrentHashMap还支持遍历操作，可以通过迭代器安全地遍历其中的元素。

    需要注意的是，虽然ConcurrentHashMap是线程安全的，但并不保证对于单个操作的原子性。如果需要进行复合操作，仍然需要额外的同步措施。

    总的来说，ConcurrentHashMap是一个强大的线程安全的哈希表实现，适用于多线程环境下的高并发读写操作。它提供了高效的并发性能，可以提升系统的吞吐量和响应速度。