Java之ConcurrentHashMap详解

程序员侠客行
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在Java并发编程中，ConcurrentHashMap以其出色的并发性能和数据一致性，被广泛使用。从Java 5引入之后，ConcurrentHashMap经历了多次重大的改进和优化。

本文将通过源码，带你了解Java 8及之前版本，ConcurrentHashMap实现原理及其变化。

1 为什么需要ConcurrentHashMap

HashMap是非线程安全的；Hashtable虽然线程安全，但效率低下。因此，我们需要线程安全且高效的Map实现。

1.1 非线程安全的HashMap

1.1.1 并发扩容导致死循环

JDK7及之前，哈希桶的链表采用头插法。在HashMap并发扩容时，可能使链表形成环形结构，造成死循环。 image.png

如下代码，在JDK7下执行时，导致CPU利用率飙升至100%。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.UUID;

public class HashMapTest {

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final Map<String, String> map = new HashMap<>(2);
    Thread test = new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
              map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
            }
          }, "concurrent-put-" + i).start();
        }
      }
    }, "test");
    test.start();
    test.join();
  }
}

image.png image.png 注意：在JDK8中，HashMap的put、resize方法，改用尾插法，已能避免死循环。

1.1.2 并发put导致值丢失

对HashMap并发put操作时，多个线程同时修改一个哈希桶，可能会导致键值对覆盖丢失。 image.png

1.2 Hashtable效率低下

从JDK1.0就有的Hashtable类，几乎所有的方法都被synchronized修饰；即使get()方法也不例外，读与读都互斥，效率自然很低。 image.png

2 Java 7中ConcurrentHashMap实现

Java7中，ConcurrentHashMap通过分段锁（Segmentation Lock）机制，实现了高并发性能。

  • ConcurrentHashMap是由Segment数组组成； image.png
  • Segment是ReentrantLock的子类，结构和HashMap类似，即哈希表，它持有一个HashEntry数组； image.png
  • HashEntry用于存储键值对，使用链表结构解决哈希冲突； image.png
  • 当对HashEntry数组进行修改时，必须先获得与它对应的Segment锁。 image.png

2.1 初始化Segment数组

concurrencyLevel即并发度，用于初始化ConcurrentHashMap时声明segments数组长度。每个segment都是一把锁，segments数组长度也就是Map中分段锁的数量。 image.png

segments数组的长度是2的N次方，方便与hashCode按位与计算索引。 image.png

2.2 put操作

2.2.1 定位Segment

在插入元素时，必须先通过散列算法定位到某个Segment。ConcurrentHashMap通过对key的hash值做二次散列，来使key更均匀地分布在不同的Segment上。 image.png 假设所有key都散列到同一个Segment，所有并发更新都争抢同一把锁，分段锁就失去意义了。

2.2.2 获取分段锁

首先尝试一次非阻塞的tryLock，成功则继续；否则while循环tryLock，失败重试次数超过MAX_SCAN_RETRIES时，调lock()阻塞式获取锁。

tryLock多次重试的意义在于，尽量非阻塞的获取分段锁，减少线程上下文切换。在多核系统下，可重试tryLock 64次。 image.png image.png

put成功时，当segment的容量大于threshold时，就对该segment的哈希表进行扩容。 注意，不是对ConcurrentHashMap的segment数组扩容。

2.3 get操作

get操作的高效之处在于，整个过程不需要加锁。因为HashEntry的value被volatile修饰，能够在线程之间保持可见性。 image.png

2.4 总结

Java 7中，ConcurrentHashMap通过将哈希表划分为多个段，对每个段的访问使用不同的锁。从而大大减少了锁竞争，提高了并发性能。然而，也出现了一些问题：

  • 由于采用两层哈希表，内存占用较大，扩容操作复杂；
  • 当多个线程对同一个segment段做修改时，会导致锁竞争，从而降低了性能；
  • concurrencyLevel在ConcurrentHashMap初始化时一经设定，不可修改；设置不当时影响性能。
  • size操作可能锁住整个Map。 image.png

3 Java 8中ConcurrentHashMap实现

在Java 8中，ConcurrentHashMap摒弃了之前版本中的分段锁（Segmentation Lock）机制，采用CAS（Compare-and-Swap）操作结合synchronized同步块，实现更为高效和灵活的并发控制。

3.1 数据结构

Java 8中的ConcurrentHashMap底层数据结构由数组、链表和红黑树组成，与HashMap类似。 image.png

3.2 put操作

  • 如果是第一次put，则初始化哈希表；
  • 如果key散列到的哈希桶空着，即没有哈希冲突，则CAS插入entry；
  • 如果桶不为空，或者CAS失败，则只对当前桶加synchronized锁，将entry添加到链表尾部。 image.png

3.3 size实现

JDK8中，ConCurrentHashMap的size，通过 baseCount 和 counterCells 两个变量维护：

  • 在没有并发的情况下，使用一个volatile baseCount变量即可； image.png
  • 当有并发时，CAS 修改 baseCount 失败后，会使用 CounterCell 类，更新它的volatile value属性。CounterCell保持在数组中。 image.png image.png

size()调用sumCount()，计数过程不加锁。 image.png 在获取size时，如果有并发插入或者删除操作，size()返回值可能已与实际数量不符。

3.4 总结

与Java7相比，Java8的ConcurrentHashMap实现，锁的粒度更小，且尽可能通过CAS实现更新，只在CAS失败时对某个哈希桶使用synchronized锁。因此具有更好的并发性能。

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