ConcurrentHashMap

关键字: concurrenthashmap 原理分析

集合是编程中最常用的数据结构。而谈到并发，几乎总是离不开集合这类高级数据结构的支持。比如两个线程需要同时访问一个中间临界区（Queue），比如常会用缓存作为外部文件的副本（HashMap）。这篇文章主要分析jdk1.5的3种并发集合类型（concurrent，copyonright，queue）中的ConcurrentHashMap，让我们从原理上细致的了解它们，能够让我们在深度项目开发中获益非浅。

     在tiger之前，我们使用得最多的数据结构之一就是 HashMap和Hashtable。大家都知道，HashMap中未进行同步考虑，而Hashtable则使用了synchronized，带来的直接影响就是可选择，我们可以在单线程时使用HashMap提高效率，而多线程时用Hashtable来保证安全。

     当我们享受着jdk带来的便利时同样承受它带来的不幸恶果。通过分析Hashtable就知道，synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占，安全的背后是巨大的浪费，慧眼独具的Doug Lee立马拿出了解决方案----ConcurrentHashMap。

    ConcurrentHashMap和Hashtable主要区别就是围绕着锁的粒度以及如何锁。如图

     左边便是Hashtable的实现方式---锁整个hash表；而右边则是ConcurrentHashMap的实现方式---锁桶（或段）。 ConcurrentHashMap将hash表分为16个桶（默认值），诸如get,put,remove等常用操作只锁当前需要用到的桶。试想，原来只能一个线程进入，现在却能同时16个写线程进入（写线程才需要锁定，而读线程几乎不受限制，之后会提到），并发性的提升是显而易见的。

     更令人惊讶的是ConcurrentHashMap的读取并发，因为在读取的大多数时候都没有用到锁定，所以读取操作几乎是完全的并发操作，而写操作锁定的粒度又非常细，比起之前又更加快速（这一点在桶更多时表现得更明显些）。只有在求size等操作时才需要锁定整个表。而在迭代时，ConcurrentHashMap使用了不同于传统集合的快速失败迭代器（见之前的文章《JAVA API备忘---集合》）的另一种迭代方式，我们称为弱一致迭代器。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出 ConcurrentModificationException，取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据，iterator完成后再将头指针替换为新的数据，这样iterator线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变，更重要的，这保证了多个线程并发执行的连续性和扩展性，是性能提升的关键。

     接下来，让我们看看ConcurrentHashMap中的几个重要方法，心里知道了实现机制后，使用起来就更加有底气。

    ConcurrentHashMap中主要实体类就是三个：ConcurrentHashMap（整个Hash表）,Segment（桶），HashEntry（节点），对应上面的图可以看出之间的关系。

     get 方法（请注意，这里分析的方法都是针对桶的，因为ConcurrentHashMap的最大改进就是将粒度细化到了桶上），首先判断了当前桶的数据个数是否为0，为0自然不可能get到什么，只有返回null，这样做避免了不必要的搜索，也用最小的代价避免出错。然后得到头节点（方法将在下面涉及）之后就是根据hash和key逐个判断是否是指定的值，如果是并且值非空就说明找到了，直接返回；程序非常简单，但有一个令人困惑的地方，这句return readValueUnderLock(e)到底是用来干什么的呢？研究它的代码，在锁定之后返回一个值。但这里已经有一句V v = e.value得到了节点的值，这句return readValueUnderLock(e)是否多此一举？事实上，这里完全是为了并发考虑的，这里当v为空时，可能是一个线程正在改变节点，而之前的 get操作都未进行锁定，根据bernstein条件，读后写或写后读都会引起数据的不一致，所以这里要对这个e重新上锁再读一遍，以保证得到的是正确值，这里不得不佩服Doug Lee思维的严密性。整个get操作只有很少的情况会锁定，相对于之前的Hashtable，并发是不可避免的啊！

         V get(Object key, int hash) {
             if (count != 0) { // read-volatile
                 HashEntry e = getFirst(hash);
                 while (e != null) {
                     if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                         V v = e.value;
                         if (v != null)
                             return v;
                         return readValueUnderLock(e); // recheck
                     }
                     e = e.next;
                 }
             }
             return null;
         }

 

         V readValueUnderLock(HashEntry e) {
             lock();
             try {
                 return e.value;
             } finally {
                 unlock();
             }
         }

 

     put 操作一上来就锁定了整个segment，这当然是为了并发的安全，修改数据是不能并发进行的，必须得有个判断是否超限的语句以确保容量不足时能够 rehash，而比较难懂的是这句int index = hash & (tab.length - 1)，原来segment里面才是真正的hashtable，即每个segment是一个传统意义上的hashtable,如上图，从两者的结构就可以看出区别，这里就是找出需要的entry在table的哪一个位置，之后得到的entry就是这个链的第一个节点，如果e!=null，说明找到了，这是就要替换节点的值（onlyIfAbsent == false），否则，我们需要new一个entry，它的后继是first，而让tab[index]指向它，什么意思呢？实际上就是将这个新entry 插入到链头，剩下的就非常容易理解了。

         V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
             lock();
             try {
                 int c = count;
                 if (c++ > threshold) // ensure capacity
                     rehash();
                 HashEntry[] tab = table;
                 int index = hash & (tab.length - 1);
                 HashEntry first = (HashEntry) tab[index];
                 HashEntry e = first;
                 while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
                     e = e.next;

                 V oldValue;
                 if (e != null) {
                     oldValue = e.value;
                     if (!onlyIfAbsent)
                         e.value = value;
                 }
                 else {
                     oldValue = null;
                     ++modCount;
                     tab[index] = new HashEntry(key, hash, first, value);
                     count = c; // write-volatile
                 }
                 return oldValue;
             } finally {
                 unlock();
             }
         }

 

     remove 操作非常类似put，但要注意一点区别，中间那个for循环是做什么用的呢？（*号标记）从代码来看，就是将定位之后的所有entry克隆并拼回前面去，但有必要吗？每次删除一个元素就要将那之前的元素克隆一遍？这点其实是由entry的不变性来决定的，仔细观察entry定义，发现除了value，其他所有属性都是用final来修饰的，这意味着在第一次设置了next域之后便不能再改变它，取而代之的是将它之前的节点全都克隆一次。至于entry为什么要设置为不变性，这跟不变性的访问不需要同步从而节省时间有关，关于不变性的更多内容，请参阅之前的文章《线程高级---线程的一些编程技巧》

         V remove(Object key, int hash, Object value) {
             lock();
             try {
                 int c = count - 1;
                 HashEntry[] tab = table;
                 int index = hash & (tab.length - 1);
                 HashEntry first = (HashEntry)tab[index];
                 HashEntry e = first;
                 while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
                     e = e.next;

                 V oldValue = null;
                 if (e != null) {
                     V v = e.value;
                     if (value == null || value.equals(v)) {
                         oldValue = v;
                         // All entries following removed node can stay
                         // in list, but all preceding ones need to be
                         // cloned.
                         ++modCount;
                         HashEntry newFirst = e.next;
                     *     for (HashEntry p = first; p != e; p = p.next)
                     *         newFirst = new HashEntry(p.key, p.hash,
                                                           newFirst, p.value);
                         tab[index] = newFirst;
                         count = c; // write-volatile
                     }
                 }
                 return oldValue;
             } finally {
                 unlock();
             }
         }

 

     static final class HashEntry {
         final K key;
         final int hash;
         volatile V value;
         final HashEntry next;

         HashEntry(K key, int hash, HashEntry next, V value) {
             this.key = key;
             this.hash = hash;
             this.next = next;
             this.value = value;
         }
     }

 

     以上，分析了几个最简单的操作，限于篇幅，这里不再对rehash或iterator等实现进行讨论