众所周知 ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多线程版本,HashMap 在并发操作时会有各种问题,比如死循环问题、数据覆盖等问题。而这些问题,只要使用 ConcurrentHashMap 就可以完美解决了,那问题来了,ConcurrentHashMap 是如何保证线程安全的?它的底层又是如何实现的?

ConcurrentHashMap 线程安全实现简述

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 时,使用的是分段锁也就是 Segment 来实现线程安全的。

然而它在 JDK 1.8 之后,使用的是 CAS + synchronized 或 CAS + volatile 来实现线程安全的。

JDK 1.7 底层结构

ConcurrentHashMap 在不同的 JDK 版本中实现是不同的,在 JDK 1.7 中它使用的是数组加链表的形式实现的,而数组又分为:大数组 Segment 和小数组 HashEntry。 大数组 Segment 可以理解为 MySQL 中的数据库,而每个数据库(Segment)中又有很多张表 HashEntry,每个 HashEntry 中又有多条数据,这些数据是用链表连接的,如下图所示:

JDK 1.7 线程安全实现

了解了 ConcurrentHashMap 的底层实现,再看它的线程安全实现就比较简单了。

接下来,我们通过添加元素 put 方法,来看 JDK 1.7 中 ConcurrentHashMap 是如何保证线程安全的,具体实现源码如下:

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 在往该 Segment 写入前,先确保获取到锁
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
// Segment 内部数组
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
// 更新已有值...
}
else {
// 放置 HashEntry 到特定位置,如果超过阈值则进行 rehash
// 忽略其他代码...
}
}
} finally {
// 释放锁
unlock();
}
return oldValue;
}

从上述源码我们可以看出,Segment 本身是基于 ReentrantLock 实现的加锁和释放锁的操作,这样就能保证多个线程同时访问 ConcurrentHashMap 时,同一时间只有一个线程能操作相应的节点,这样就保证了 ConcurrentHashMap 的线程安全了。

也就是说 ConcurrentHashMap 的线程安全是建立在 Segment 加锁的基础上的,所以我们把它称之为分段锁或片段锁,如下图所示:

JDK 1.8 底层结构

在 JDK 1.7 中,ConcurrentHashMap 虽然是线程安全的,但因为它的底层实现是数组 + 链表的形式,所以在数据比较多的情况下访问是很慢的,因为要遍历整个链表,而 JDK 1.8 则使用了数组 + 链表/红黑树的方式优化了 ConcurrentHashMap 的实现,具体实现结构如下:



链表升级为红黑树的规则:当链表长度大于 8,并且数组的长度大于 64 时,链表就会升级为红黑树的结构。

PS:ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 虽然保留了 Segment 的定义,但这仅仅是为了保证序列化时的兼容性,不再有任何结构上的用处了。

JDK 1.8 线程安全实现

在 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是 CAS + volatile 或 synchronized 的方式来保证线程安全的,它的核心实现源码如下:

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 节点为空
// 利用 CAS 去进行无锁线程安全操作,如果 bin 是空的
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
break;
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
else if (onlyIfAbsent
&& fh == hash
&& ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
&& (fv = f.val) != null)
return fv;
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
// 细粒度的同步修改操作...
}
}
// 如果超过阈值,升级为红黑树
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}

从上述源码可以看出,在 JDK 1.8 中,添加元素时首先会判断容器是否为空,如果为空则使用 volatile 加 CAS 来初始化。如果容器不为空则根据存储的元素计算该位置是否为空,如果为空则利用 CAS 设置该节点;如果不为空则使用 synchronize 加锁,遍历桶中的数据,替换或新增节点到桶中,最后再判断是否需要转为红黑树,这样就能保证并发访问时的线程安全了。

我们把上述流程简化一下,我们可以简单的认为在 JDK 1.8 中,ConcurrentHashMap 是在头节点加锁来保证线程安全的,锁的粒度相比 Segment 来说更小了,发生冲突和加锁的频率降低了,并发操作的性能就提高了。而且 JDK 1.8 使用的是红黑树优化了之前的固定链表,那么当数据量比较大的时候,查询性能也得到了很大的提升,从之前的 O(n) 优化到了 O(logn) 的时间复杂度,具体加锁示意图如下:

小结

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 时使用的是数据加链表的形式实现的,其中数组分为两类:大数组 Segment 和小数组 HashEntry,而加锁是通过给 Segment 添加 ReentrantLock 锁来实现线程安全的。而 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是数组+链表/红黑树的方式实现的,它是通过 CAS 或 synchronized 来实现线程安全的,并且它的锁粒度更小,查询性能也更高。

本文已收录至《Java面试突击》,专注 Java 面试 100 年,查看更多:www.javacn.site

ConcurrentHashMap是如何实现的?的更多相关文章

  1. Java集合---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 ...

  2. ConcurrentHashMap

    ConcurrentHashMap是Java5中新增加的一个线程安全的Map集合,可以用来替代HashTable.对于ConcurrentHashMap是如何提高其效率的,可能大多人只是知道它使用了多 ...

  3. ConcurrentHashMap内存泄漏问题

    问题背景 上周,同事写了一段ConcurrentHashMap的测试代码,说往map里放了32个元素就内存溢出了,我大致看了一下他的代码及运行的jvm参数,觉得很奇怪,于是就自己捣鼓了一下.首先上一段 ...

  4. Example of ConcurrentHashMap in Java--转

    原文地址:http://www.concretepage.com/java/example_concurrenthashmap_java On this page we will provide ex ...

  5. Java ConcurrentHashMap Example and Iterator--转

    原文地址:http://www.journaldev.com/122/java-concurrenthashmap-example-iterator#comment-27448 Today we wi ...

  6. 【JUC】JDK1.8源码分析之ConcurrentHashMap(一)

    一.前言 最近几天忙着做点别的东西,今天终于有时间分析源码了,看源码感觉很爽,并且发现ConcurrentHashMap在JDK1.8版本与之前的版本在并发控制上存在很大的差别,很有必要进行认真的分析 ...

  7. ConcurrentHashMap和HashMap的一点区别

    HashMap不是线程安全的,ConcurrentHashMap则在某一个方法的执行上是线程安全的. package testMap; import java.util.HashMap; public ...

  8. 【转】HashMap、TreeMap、Hashtable、HashSet和ConcurrentHashMap区别

    转自:http://blog.csdn.net/paincupid/article/details/47746341 一.HashMap和TreeMap区别 1.HashMap是基于散列表实现的,时间 ...

  9. HashMap与ConcurrentHashMap的区别

    从JDK1.2起,就有了HashMap,正如前一篇文章所说,HashMap不是线程安全的,因此多线程操作时需要格外小心. 在JDK1.5中,伟大的Doug Lea给我们带来了concurrent包,从 ...

  10. Java集合——ConcurrentHashMap

    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 ...

随机推荐

  1. 【WEB UI自动化】Selenium爬取用户的知乎回答时遇到10002:请求参数异常,请升级客户端后重试

    这里分享一个低配版知乎爬虫,利用了Selenium模块 爬取的过程中遇到了10002:请求参数异常,请升级客户端后重试,调用知乎某用户的回答API返回的HTTP状态码是403 Forbidden 之后 ...

  2. 在java中new一个对象的流程是什么?

    Dog dog=new Dog()背后执行过程 这个涉及到字节码文件结构,类加载机制,堆,栈的认识等知识点. 在执行new的时候可以大致分为二个过程,初始化以及实例化,初始化就是类的加载过程,首先我们 ...

  3. PHP的序列化和反序列化

    PHP序列化 什么是PHP序列化 serialize() //将一个对象转换成一个字符串 unserialize() //将字符串还原成一个对象 通过序列化与反序列化我们可以很方便的在PHP中进行对象 ...

  4. [ACM]Uva572-Oil Deposits-DFS应用

    #include<iostream> #include<cstdio> #include<cstdlib> #include<cstring> usin ...

  5. R语言文本数据挖掘(一)

    文本挖掘可以视为NLP(Natural language processing,自然语言处理)的一个子领域,目标是在大量非结构化文本中整理析取出有价值的内容.由于人类语言具有很高的复杂性,例如不同语言 ...

  6. [SpringBoot/JavaEE]SpringBoot启动与停用的4种方式

    SpringBoot版本: 2.1.6.RELEASE 1 启动 方式1 – IntelliJ IDEA - Windows 右键启动类SpringBootSampleApplication.java ...

  7. 【比赛记录+题解】CET

    A题: 由于太菜而一直没有AC.其实是一道01背包..最后才AC的 01背包什么的自己去了解就行了吧 因为我\(DP\)太烂,所以不会\(DP\)的我也救不了了 #include <algori ...

  8. kali linux 基本渗透测试流程

    渗透测试流程 1. 信息收集阶段 网络拓扑结构分析 使用nmap扫描目标网络,获取目标主机IP地址和开放端口信息 使用whois查询目标域名的注册信息和DNS服务器信息 使用nslookup查询目标域 ...

  9. 用Abp实现找回密码和密码强制过期策略

    @ 目录 重置密码 找回密码 发送验证码 校验验证码 发送重置密码链接 创建接口 密码强制过期策略 改写接口 Vue网页端开发 重置密码页面 忘记密码控件 密码过期提示 项目地址 用户找回密码,确切地 ...

  10. Spring Boot 中使用 Redis

    Redis 环境 redis 安装.配置,启动:(此处以云服务器上进行说明) 下载地址:https://redis.io/download/ 下载后上传到云服务器上,如 /usr/local 中 gc ...