ConcurrentHashMap 并发HashMap

并发容器ConcurrentHashMap,它是HashMap的并发版本,与HashMap相比,它有如下特点:

❑ 并发安全;

❑ 直接支持一些原子复合操作;

❑ 支持高并发,读操作完全并行,写操作支持一定程度的并行;

❑ 与同步容器Collections.synchronizedMap相比,迭代不用加锁,不会抛出Concurre ntModificationException;

❑ 弱一致性。

 

并发安全

HashMap不是并发安全的,在并发更新的情况下,HashMap可能出现死循环,占满CPU

public static void unsafeConcurrentUpdate() {
    final Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        Thread t = new Thread() {
            Random rnd = new Random();

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    map.put(rnd.nextInt(), 1);
                }
            }
        };
        t.start();
    }
}

使用Collections.synchronizedMap方法可以生成一个同步容器,以避免产生死循环,替换第一行代码即可:

final Map<Integer, Integer> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<Integer, Integer>());

同步容器有几个问题:

❑ 每个方法都需要同步,支持的并发度比较低;

❑ 对于迭代和复合操作,需要调用方加锁,使用比较麻烦,且容易忘记。

ConcurrentHashMap没有这些问题,它同样实现了Map接口,也是基于哈希表实现的,上面的代码替换第一行即可:

final Map<Integer, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

 

原子复合操作

除了Map接口,ConcurrentHashMap还实现了一个接口ConcurrentMap,接口定义了一些条件更新操作,Java 7中的具体定义为:

public interface ConcurrentMap<K, V> extends Map<K, V> {
    //条件更新,如果Map中没有key,设置key为value,返回原来key对应的值,
    //如果没有,返回null
    V putIfAbsent(K key, V value);
    //条件删除,如果Map中有key,且对应的值为value,则删除,如果删除了,返回true,
    //否则返回false
    boolean remove(Object key, Object value);
    //条件替换,如果Map中有key,且对应的值为oldValue,则替换为newValue,
    //如果替换了,返回ture,否则false
    boolean replace(K key, V oldValue, V newValue);
    //条件替换,如果Map中有key,则替换值为value,返回原来key对应的值,
    //如果原来没有,返回null
    V replace(K key, V value);
}

Java 8增加了几个默认方法,包括getOrDefault、forEach、computeIfAbsent、merge等。如果使用同步容器,调用方必须加锁,而ConcurrentHashMap将它们实现为了原子操作。实际上,使用ConcurrentHashMap,调用方也没有办法进行加锁,它没有暴露锁接口,也不使用synchronized。

 

高并发的基本机制

ConcurrentHashMap是为高并发设计的,它是怎么做的呢?具体实现比较复杂,简要介绍其思路,在Java 7中,主要有两点:

❑ 分段锁;

❑ 读不需要锁。

同步容器使用synchronized,所有方法竞争同一个锁;而ConcurrentHashMap采用分段锁技术,将数据分为多个段,而每个段有一个独立的锁,每一个段相当于一个独立的哈希表,分段的依据也是哈希值,无论是保存键值对还是根据键查找,都先根据键的哈希值映射到段,再在段对应的哈希表上进行操作。

采用分段锁,可以大大提高并发度,多个段之间可以并行读写。默认情况下,段是16个,不过,这个数字可以通过构造方法进行设置,如下所示:

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel)

concurrencyLevel表示估计的并行更新的线程个数,ConcurrentHashMap会将该数转换为2的整数次幂,比如14转换为16,25转换为32。

在对每个段的数据进行读写时,ConcurrentHashMap也不是简单地使用锁进行同步,内部使用了CAS。对一些写采用原子方式的方法,实现的效果是,对于写操作,需要获取锁,不能并行,但是读操作可以,多个读可以并行,写的同时也可以读,这使得ConcurrentHashMap的并行度远高于同步容器。

Java 8对ConcurrentHashMap的实现进一步做了优化。首先,与HashMap的改进类似,在哈希冲突比较严重的时候,会将单向链表转化为平衡的排序二叉树,提高查找的效率;其次,锁的粒度进一步细化了,以提高并行性,哈希表数组中的每个位置(指向一个单链表或树)都有一个单独的锁。

 

迭代安全

在迭代中需要加锁,否则可能会抛出ConcurrentModificationException。ConcurrentHashMap没有这个问题,在迭代器创建后,在迭代过程中,如果另一个线程对容器进行了修改,迭代会继续,不会抛出异常。

问题是,迭代会反映其他线程的修改吗?还是像CopyOnWriteArrayList一样,反映的是创建时的副本?答案是,都不是!

到底是怎么回事呢?这需要我们理解ConcurrentHashMap的弱一致性。

 

弱一致性

ConcurrentHashMap的迭代器创建后,就会按照哈希表结构遍历每个元素,但在遍历过程中,内部元素可能会发生变化,如果变化发生在已遍历过的部分,迭代器就不会反映出来,而如果变化发生在未遍历过的部分,迭代器就会发现并反映出来,这就是弱一致性。

类似的情况还会出现在ConcurrentHashMap的另一个方法:

//批量添加m中的键值对到当前Map
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m)

该方法并非原子操作,而是调用put方法逐个元素进行添加的,在该方法没有结束的时候,部分修改效果就会体现出来。

 

其他

Java中没有并发版的HashSet,但可以通过Collections.newSetFromMap方法基于ConcurrentHashMap构建一个。

 

 

 

参考: Java编程的逻辑 17.2 ConcurrentHashMap

 

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