Java：ConcurrentHashMap类小记-1(概述)

时间：2024-01-09 12:19:50

Java：ConcurrentHashMap类小记-1(概述)

对 Java 中的 ConcurrentHashMap类，做一个微不足道的小小小小记，分三篇博客：

概述

ConcurrentHashMap 是 Java 并发包中提供的一个线程安全且高效的 HashMap 实现，其在并发编程的场景中使用频率非常之高

众所周知，哈希表是种非常高效，复杂度为 O(1) 的数据结构，在Java开发中，我们最常见到最频繁使用的就是 HashMap 和 HashTable，但是在线程竞争激烈的并发场景中使用都不够合理。

关于 HashMap 和 HashTable 的进一步了解，可见：Java：HashMap类小记，Java：HashTable类小记 这两篇博文

这里就先谈一下 HashMap 和 HashTable 与 ConcurrentHashMap 的区别所在：

HashMap 与 ConcurrentHashMap 区别：

后续指的是 JDK1.7 中的 ConcurrentHashMap

HashMap 不是线程安全的，而 ConcurrentHashMap 是线程安全的；

ConcurrentHashMap 采用锁分段技术，将整个 Hash 桶进行了分段 segment，也就是将这个大的数组分成了几个小的片段 segment，而且每个小的片段 segment 上面都有锁存在，那么在插入元素的时候就需要先找到应该插入到哪一个片段 segment，然后再在这个片段上面进行插入，虽然这里还需要获取 segment 锁，但这样做明显减小了锁的粒度。

HashTable 和 ConcurrentHashMap 的区别：

HashTable 和 ConcurrentHashMap 相比，效率低。 Hashtable 之所以效率低主要是使用了 synchronized 关键字对 put 等操作进行加锁，而 synchronized 关键字加锁是对整张 Hash 表的，即每次锁住整张表让线程独占，致使效率低下，而 ConcurrentHashMap 在对象中保存了一个 Segment 数组，即将整个 Hash 表划分为多个分段；而每个Segment 元素，即每个分段则类似于一个 Hashtable；这样，在执行 put 操作时首先根据 hash 算法定位到元素属于哪个 Segment，然后对该 Segment 加锁即可，因此， ConcurrentHashMap 在多线程并发编程中可是实现多线程 put操作。

Java：ConcurrentHashMap类小记-1(概述)

总结：

ConcurrentHashMap 的出现也意味着 HashTable 的落幕，所以在以后的项目中，尽量少用 HashTable；

对于普通场景可以使用 HashMap 实现，如果是高并发场景建议使用 ConcurrentHashMap 实现

实现原理

这里仅进行一个简单的说明，后续对于 ConcurrentHashMap 在 JDK7 与 JDK8 中的实现会做进一步分析

JDK 7 中的 ConcurrentHashMap

JDK7 中 ConcurrentHashMap 采用了 数组 + Segment + 分段锁 的方式实现。

以下内容主要参考：https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6842045.html，稍微了解了一下

ConcurrentHashMap 采用了非常精妙的"分段锁"策略，ConcurrentHashMap 的主干是个 Segment 数组。

final Segment<K,V>[]  segments;

Segment 继承了 ReentrantLock，所以它就是一种可重入锁（ReentrantLock)。在 ConcurrentHashMap，一个 Segment 就是一个子哈希表，Segment 里维护了一个 HashEntry 数组，并发环境下，对于不同 Segment 的数据进行操作是不用考虑锁竞争的。就按默认的 ConcurrentLevel 为 16 来讲，理论上就允许 16 个线程并发执行。

所以，对于同一个 Segment 的操作才需考虑线程同步，不同的 Segment 则无需考虑。Segment 类似于 HashMap，一个 Segment 维护着一个HashEntry 数组：

transient volatile  HashEntry<K,V>[]  table;

HashEntry 是目前我们提到的最小的逻辑处理单元了。一个 ConcurrentHashMap 维护一个 Segment 数组，一个 Segment 维护一个 HashEntry 数组。

因此，ConcurrentHashMap 定位一个元素的过程需要进行两次 Hash 操作。第一次 Hash 定位到 Segment，第二次 Hash 定位到元素所在的链表的头部。

JDK 8 中的 ConcurrentHashMap

JDK 8：中 ConcurrentHashMap 参考了 JDK 8 HashMap 的实现，采用了 数组 + 链表 + 红黑树 的实现方式来设计，内部大量采用 CAS 操作。

这里仅做一个总结，进一步分析见后续博文

  1. JDK1.8 取消了 segment 数组，直接用 table 保存数据，锁的粒度更小，减少并发冲突的概率。

    // 所有数据都存在table中, 只有当第一次插入时才会被加载，扩容时总是以2的倍数进行
    
transient volatile Node<K,V>[] table;

  2. JDK1.8 存储数据时采用了链表+红黑树的形式，纯链表的形式时间复杂度为O(n)，红黑树则为 O(logn)，性能提升很大。

    什么时候链表转红黑树？

    • 当在一个桶中元素形成的链表中元素个数超过8个的时候；
    • table的size大于64

  3. JDK1.8 的实现降低锁的粒度，JDK1.7版本锁的粒度是基于Segment的，包含多个 HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry（首节点）

  4. JDK1.8 版本的数据结构变得更加简单，使得操作也更加清晰流畅，因为已经使用 synchronized 来进行同步，所以不需要分段锁的概念，也就不需要 Segment 这种数据结构了，由于粒度的降低，实现的复杂度也增加了

  5. JDK1.8 使用红黑树来优化链表，基于长度很长的链表的遍历是一个很漫长的过程，而红黑树的遍历效率是很快的，代替一定阈值的链表，这样形成一个最佳拍档

  6. JDK1.8 为什么使用内置锁synchronized来代替重入锁ReentrantLock，我觉得有以下几点

    1. 因为粒度降低了，在相对而言的低粒度加锁方式，synchronized并不比ReentrantLock差，在粗粒度加锁中ReentrantLock可能通过Condition来控制各个低粒度的边界，更加的灵活，而在低粒度中，Condition的优势就没有了
    2. JVM的开发团队从来都没有放弃synchronized，而且基于JVM的synchronized优化空间更大，使用内嵌的关键字比使用API更加自然
    3. 在大量的数据操作下，对于JVM的内存压力，基于API的ReentrantLock会开销更多的内存，虽然不是瓶颈，但是也是一个选择依据

Unsafe类

由于在ConcurrentHashMap中，为了避免进行加锁操作，使用了大量的CAS操作，而CAS操作在Java中是通过 Unsafe 类进行实现的，故在此先分析一波 Unsafe 类

概述

Unsafe类相当于是一个Java语言中的后门类，提供了硬件级别的原子操作，所以在一些并发编程中被大量使用。JDK 已经作出说明，该类对程序员而言不是一个安全操作，在后续的JDK升级过程中，可能会禁用该类。所以这个类的使用是一把双刃剑，实际项目中谨慎使用，以免造成JDK升级不兼容问题。

API

这个类是获取对象的偏移情况，而在ConcurrentHashMap中体现的就是数组对象，后续API中就以数组来进行说明

  • public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1)：获取数组的基础偏移量；
  • public native int arrayIndexScale(Class<?> var1)：获取数组中元素的偏移间隔，要获取对应所以的元素，将索引号和该值相乘，获得数组中指定角标元素的偏移量
  • public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2)：获取对象上的属性值或者数组中的元素
  • public native Object getObject(Object var1, long var2)：获取对象上的属性值或者数组中的元素，已过时
  • public native void putOrderedObject(Object var1, long var2, Object var4)：设置对象的属性值或者数组中某个角标的元素，更高效，但不保证线程间即时可见性
  • public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4)：设置对象的属性值或者数组中某个角标的元素，volatile 保证线程间及时可见性
  • public native void putObject(Object var1, long var2, Object var4);：设置对象的属性值或者数组中某个角标的元素，已过时

代码演示

public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 数组对象

        Integer[] arr = {2,5,1,8,10};

        // 暴力反射获取Unsafe对象

        Unsafe unsafe = getUnsafe();

        // 获取Integer[]的基础偏移量

        int baseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(Integer[].class);

        // 获取Integer[]中元素的偏移间隔

        int indexScale = unsafe.arrayIndexScale(Integer[].class);

        // 获取数组中索引为2的元素对象:baseoffset + 2*indexScale

        Object o = unsafe.getObjectVolatile(arr, (2 * indexScale) + baseOffset);

        System.out.println(o); // 1

        // 设置数组中索引为2的元素值为100

        unsafe.putOrderedObject(arr,(2 * indexScale) + baseOffset,100);

        System.out.println(Arrays.toString(arr)); // [2, 5, 100, 8, 10]

    }

    // 反射获取Unsafe对象

    public static Unsafe getUnsafe() throws Exception {

        // 获取Unsafe类无法直接通过Unsafe的内置函数getUnsafe来获取

        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

        // 暴力反射

        theUnsafe.setAccessible(true);

        return (Unsafe) theUnsafe.get(null);

    }

}

图解说明

Java：ConcurrentHashMap类小记-1(概述)

参考

https://space.bilibili.com/488677881

☆ConcurrentHashMap实现原理及源码分析☆：https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6842045.html

☆关于jdk1.8中ConcurrentHashMap的方方面面☆：https://blog.****.net/tp7309/article/details/76532366

https://mp.weixin.qq.com/s/q1r9Pno6ANUzZ9wMzA-JSg

http://www.apgblogs.com/hashmap-hashtable-concurrenthashmap/

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