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Java - 线程安全的 HashMap 实现方法及原理

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Java HashMap 是非线程安全的。在多线程条件下,容易导致死循环,具体表现为CPU使用率100%。因此多线程环境下保证 HashMap 的线程安全性,主要有如下几种方法:

 

  1. 使用 java.util.Hashtable 类,此类是线程安全的。
  2. 使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap,此类是线程安全的。
  3. 使用 java.util.Collections.synchronizedMap() 方法包装 HashMap object,得到线程安全的Map,并在此Map上进行操作。
  4. 自己在程序的关键方法或者代码段加锁,保证安全性,当然这是严重的不推荐。

为什么 HashMap 非线程安全, 可以参考大神陈皓(weibo账号:左耳朵耗子)在他自己技术网站Coolshell上的文章,写的非常详细。文章链接(直通车):http://coolshell.cn/articles/9606.html

 

 

这里重点分析下上面列举的几种方法实现并行安全性的原理:

 

(一)java.util.Hashtable类:类的主要数据结构如下:

    

    /**
     * The hash table data.
     */
    private transient Entry[] table;

private static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
	int hash;
	K key;
	V value;
	Entry<K,V> next;

     

       可见,Hashtable 的实现是一个数组,每个数组元素是一个LinkList结构,因此类的数据实际上保存在一个散列表中。这个实现和 HashMap 的实现是一致的。数据结构如下:

 

      那么Hashtable如何保证线程安全性的哪?下面是 Hashtable的源码:

 

public synchronized V get(Object key) {
	Entry tab[] = table;
	…… //此处省略,具体的实现请参考 jdk实现
    }

public synchronized V put(K key, V value) {
	…… //具体实现省略,请参考jdk实现
    }


public synchronized V remove(Object key) {
	…… //具体实现省略,请参考jdk实现
    }

   
    public synchronized void putAll(Map<? extends K, ? extends V> t) {
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : t.entrySet())
            put(e.getKey(), e.getValue());
    }


    public synchronized void clear() {
	…… //具体实现省略,请参考jdk实现
    }

     上面是 Hashtable 提供的几个主要方法,包括 get(), put(), remove() 等。注意到每个方法本身都是 synchronized 的,不会出现两个线程同时对数据进行操作的情况,因此保证了线程安全性,但是也大大的降低了执行效率。因此是不推荐的。

 

 

(二)使用 java.util.Collections.synchronizedMap(Map<K,V>) 方法进行封装。 方法源代码如下:

 

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
	return new SynchronizedMap<K,V>(m);
    }


private static class SynchronizedMap<K,V>
	implements Map<K,V>, Serializable {
	// use serialVersionUID from JDK 1.2.2 for interoperability
	private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;

	private final Map<K,V> m;     // Backing Map
        final Object      mutex;	// Object on which to synchronize

	SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
            if (m==null)
                throw new NullPointerException();
            this.m = m;
            mutex = this;
        }

	SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
            this.m = m;
            this.mutex = mutex;
        }

	public int size() {
	    synchronized(mutex) {return m.size();}
        }
	public boolean isEmpty(){
	    synchronized(mutex) {return m.isEmpty();}
        }
	public boolean containsKey(Object key) {
	    synchronized(mutex) {return m.containsKey(key);}
        }

       从实现源代码可以发现,其封装的本质和 Hashtable 的实现是完全一致的,即对原Map本身的方法进行加锁,加锁的对象或者为外部指定共享对象mutex,或者为包装后的线程安全的Map本身。Hashtable 可以理解为 SynchronizedMap mutex=null 时候的特殊情况。因此这种同步方式的执行效率也是很低的

   

        既然已经有了Hashtable, 为什么还需要Collections 提供的这种静态方法包装哪?很简单,这种包装是Java Collection Framework提供的统一接口,除了用于 HashMap 外,还可以用于其他的Map。当然 除了对Map进行封装,Collections工具类还提供了对 Collection(比如Set,List)的线程安全实现封装方法,具体请参考 java.util.Colletions 实现,其原理和 SynchronizedMap 是一致的。

 

(三) 使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 类。并发编程大师 Doug Lea 出品,绝对精品。这是 HashMap 的线程安全版,同 Hashtable 相比,ConcurrentHashMap 不仅保证了访问的线程安全性,而且在效率上有较大的提高。

 

ConcurrentHashMap的数据结构如下(引用图片地址http://www.yupoo.com/photos/goldendoc/81556254/):



 

可以看出,相对 HashMap 和 Hashtable, ConcurrentHashMap 增加了Segment 层,每个Segment 原理上等同于一个 Hashtable, ConcurrentHashMap 为 Segment 的数组。下面是 ConcurrentHashMap 的 put 和 get 方法:

final Segment<K,V> segmentFor(int hash) {
        return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];
    }

public V put(K key, V value) {
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        int hash = hash(key.hashCode());
        return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);
    }

public V get(Object key) {
        int hash = hash(key.hashCode());
        return segmentFor(hash).get(key, hash);
    }

向 ConcurrentHashMap 中插入数据或者读取数据,首先都要讲相应的 Key 映射到对应的 Segment,因此不用锁定整个类, 只要对单个的 Segment 操作进行上锁操作就可以了理论上如果有 n 个 Segment,那么最多可以同时支持 n 个线程的并发访问,从而大大提高了并发访问的效率。另外 rehash() 操作也是对单个的 Segment 进行的,所以由 Map 中的数据量增加导致的 rehash 的成本也是比较低的。

 

单个 Segment 的进行数据操作的源码如下

 

V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            lock();
            try {
                int c = count;
                if (c++ > threshold) // ensure capacity
                    rehash();

                 …… // 代码省略,具体请查看源码                

            } finally {
                unlock();
            }
        }

V replace(K key, int hash, V newValue) {
            lock();
            try {
                HashEntry<K,V> e = getFirst(hash);
              
                 …… // 代码省略,具体请查看源码   
               
            } finally {
                unlock();
            }
        }

 

   可见对 单个的 Segment 进行的数据更新操作都是 加锁的,从而能够保证线程的安全性。

 

 

ConcurrentHashMap 的更具体实现和分析见(直通车http://www.iteye.com/topic/1103980, 非常详细。

几种线程同步实现方法的效率比较,可以参考(直通车)  http://blog.sina.com.cn/s/blog_734a77160100yku1.html

 

 

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