HashMap,Hashtable,ConcurrentHashMap 和 synchronized Map 的原理和区别
HashMap 是否是线程安全的,如何在线程安全的前提下使用 HashMap,其实也就是HashMap
,Hashtable
,ConcurrentHashMap
和 synchronized Map
的原理和区别。当时有些紧张只是简单说了下HashMap不是线程安全的;Hashtable 线程安全,但效率低,因为是 Hashtable 是使用 synchronized 的,所有线程竞争同一把锁;而 ConcurrentHashMap 不仅线程安全而且效率高,因为它包含一个 segment 数组,将数据分段存储,给每一段数据配一把锁,也就是所谓的锁分段技术。当时忘记了 synchronized Map 和解释一下 HashMap 为什么线程不安全。面试结束后问了下面试官哪里有些不足,面试官说上面这个问题的回答算过关,但可以在深入一些或者自己动手尝试一下。so~~~虽然拿到了 offer,但还是再整理一下,不能得过且过啊。
为什么HashMap是线程不安全的
总说 HashMap 是线程不安全的,不安全的,不安全的,那么到底为什么它是线程不安全的呢?要回答这个问题就要先来简单了解一下 HashMap 源码中的使用的存储结构
(这里引用的是 Java8 的源码,与7是不一样的)和它的扩容机制
。
HashMap的内部存储结构
下面是 HashMap 使用的存储结构:
1 |
transient Node<K,V>[] table; static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { |
可以看到 HashMap 内部存储使用了一个 Node 数组(默认大小是16),而 Node 类包含一个类型为 Node 的 next 的变量,也就是相当于一个链表,所有根据 hash 值计算的 bucket 一样的 key 会存储到同一个链表里(即产生了冲突),大概就是下面图的样子(顺便推荐个在线画图的网站Creately)。HashMap内部存储结果
需要注意的是,在 Java 8 中如果 hash 值相同的 key 数量大于指定值(默认是8)时使用平衡树来代替链表,这会将get()方法的性能从O(n)提高到O(logn)。具体的可以看我的另一篇博客Java 8中HashMap和LinkedHashMap如何解决冲突。
HashMap的自动扩容机制
HashMap 内部的 Node 数组默认的大小是16,假设有100万个元素,那么最好的情况下每个 hash 桶里都有62500个元素
,这时get(),put(),remove()等方法效率都会降低。为了解决这个问题,HashMap 提供了自动扩容机制,当元素个数达到数组大小 loadFactor 后会扩大数组的大小,在默认情况下,数组大小为16,loadFactor 为0.75,也就是说当 HashMap 中的元素超过16\0.75=12时,会把数组大小扩展为2*16=32,并且重新计算每个元素在新数组中的位置。如下图所示(图片来源,权侵删)。自动扩容
从图中可以看到没扩容前,获取 EntryE 需要遍历5个元素,扩容之后只需要2次。
为什么线程不安全
个人觉得 HashMap 在并发时可能出现的问题主要是两方面,首先如果多个线程同时使用put方法添加元素,而且假设正好存在两个 put 的 key 发生了碰撞(根据 hash 值计算的 bucket 一样),那么根据 HashMap 的实现,这两个 key 会添加到数组的同一个位置,这样最终就会发生其中一个线程的 put 的数据被覆盖。第二就是如果多个线程同时检测到元素个数超过数组大小* loadFactor ,这样就会发生多个线程同时对 Node 数组进行扩容,都在重新计算元素位置以及复制数据,但是最终只有一个线程扩容后的数组会赋给 table,也就是说其他线程的都会丢失,并且各自线程 put 的数据也丢失。
关于 HashMap 线程不安全这一点,《Java并发编程的艺术》一书中是这样说的:
HashMap 在并发执行 put 操作时会引起死循环,导致 CPU 利用率接近100%。因为多线程会导致 HashMap 的 Node 链表形成环形数据结构,一旦形成环形数据结构,Node 的 next 节点永远不为空,就会在获取 Node 时产生死循环。
哇塞,听上去si不si好神奇,居然会产生死循环。。。。 google 了一下,才知道死循环并不是发生在 put 操作时,而是发生在扩容时。详细的解释可以看下面几篇博客:
如何线程安全的使用HashMap
了解了 HashMap 为什么线程不安全,那现在看看如何线程安全的使用 HashMap。这个无非就是以下三种方式:
- Hashtable
- ConcurrentHashMap
- Synchronized Map
例子:
1 |
//Hashtable |
依次来看看。
Hashtable
先稍微吐槽一下,为啥命名不是 HashTable 啊,看着好难受
,不管了就装作它叫HashTable 吧。这货已经不常用了,就简单说说吧。HashTable 源码中是使用 synchronized
来保证线程安全的,比如下面的 get 方法和 put 方法:
1 |
public synchronized V get(Object key) { |
所以当一个线程访问 HashTable 的同步方法时,其他线程如果也要访问同步方法,会被阻塞住。举个例子,当一个线程使用 put 方法时,另一个线程不但不可以使用 put 方法,连 get 方法都不可以,好霸道啊!!!so~~,效率很低,现在基本不会选择它了。
ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap (以下简称CHM)是 JUC 包中的一个类,spring 的源码中有很多使用 CHM 的地方。之前已经翻译过一篇关于 ConcurrentHashMap 的博客,如何在java中使用ConcurrentHashMap,里面介绍了 CHM 在 Java 中的实现,CHM 的一些重要特性和什么情况下应该使用 CHM。需要注意的是,上面博客是基于 Java 7 的,和8有区别,在8中 CHM 摒弃了 Segment(锁段)的概念,而是启用了一种全新的方式实现,利用 CAS 算法,有时间会重新总结一下。
SynchronizedMap
看了一下源码,SynchronizedMap 的实现还是很简单的。
1 |
// synchronizedMap方法 |
从源码中可以看出调用 synchronizedMap() 方法后会返回一个 SynchronizedMap 类的对象,而在 SynchronizedMap 类中使用了 synchronized 同步关键字来保证对 Map 的操作是线程安全的。
性能对比
这是要靠数据说话的时代,所以不能只靠嘴说 CHM 快,它就快了。写个测试用例,实际的比较一下这三种方式的效率(源码来源),下面的代码分别通过三种方式创建 Map 对象,使用 ExecutorService
来并发运行5个线程,每个线程添加/获取500K个元素。
1 |
public class CrunchifyConcurrentHashMapVsSynchronizedMap { public final static int THREAD_POOL_SIZE = 5; public static Map<String, Integer> crunchifyHashTableObject = null; |
测试结果:
1 |
Test started for: class java.util.Hashtable |
这个就不用废话了,CHM 性能是明显优于 Hashtable 和 SynchronizedMap 的,CHM 花费的时间比前两个的一半还少,哈哈,以后再有人问就可以甩数据了。
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