【67期】談?wù)凜oncurrentHashMap是如何保證線程安全的？

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來(lái)自：www.cnblogs.com/keeya/p/9632958.html

我們知道，ConcurrentHashmap(1.8)這個(gè)并發(fā)集合框架是線程安全的，當(dāng)你看到源碼的get操作時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)get操作全程是沒(méi)有加任何鎖的，這也是這篇博文討論的問(wèn)題——為什么它不需要加鎖呢？

ConcurrentHashMap的簡(jiǎn)介

我想有基礎(chǔ)的同學(xué)知道在jdk1.7中是采用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，而1.8中放棄了Segment臃腫的設(shè)計(jì)，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized來(lái)保證并發(fā)安全進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

• JDK1.8的實(shí)現(xiàn)降低鎖的粒度，JDK1.7版本鎖的粒度是基于Segment的，包含多個(gè)HashEntry，而JDK1.8鎖的粒度就是HashEntry（首節(jié)點(diǎn)）

• JDK1.8版本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，使得操作也更加清晰流暢，因?yàn)橐呀?jīng)使用synchronized來(lái)進(jìn)行同步，所以不需要分段鎖的概念，也就不需要Segment這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了，由于粒度的降低，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也增加了

• JDK1.8使用紅黑樹(shù)來(lái)優(yōu)化鏈表，基于長(zhǎng)度很長(zhǎng)的鏈表的遍歷是一個(gè)很漫長(zhǎng)的過(guò)程，而紅黑樹(shù)的遍歷效率是很快的，代替一定閾值的鏈表，這樣形成一個(gè)最佳拍檔

get操作源碼

• 首先計(jì)算hash值，定位到該table索引位置，如果是首節(jié)點(diǎn)符合就返回

• 如果遇到擴(kuò)容的時(shí)候，會(huì)調(diào)用標(biāo)志正在擴(kuò)容節(jié)點(diǎn)ForwardingNode的find方法，查找該節(jié)點(diǎn)，匹配就返回

• 以上都不符合的話，就往下遍歷節(jié)點(diǎn)，匹配就返回，否則最后就返回null

  
  

//會(huì)發(fā)現(xiàn)源碼中沒(méi)有一處加了鎖
public?V?get(Object?key)?{
????Node[]?tab;?Node?e,?p;?int?n,?eh;?K?ek;
????int?h?=?spread(key.hashCode());?//計(jì)算hash
????if?((tab?=?table)?!=?null?&&?(n?=?tab.length)?>?0?&&
??????(e?=?tabAt(tab,?(n?-?1)?&?h))?!=?null)?{//讀取首節(jié)點(diǎn)的Node元素
????????if?((eh?=?e.hash)?==?h)?{?//如果該節(jié)點(diǎn)就是首節(jié)點(diǎn)就返回
????????????if?((ek?=?e.key)?==?key?||?(ek?!=?null?&&?key.equals(ek)))
????????????????return?e.val;
????????}
????????//hash值為負(fù)值表示正在擴(kuò)容，這個(gè)時(shí)候查的是ForwardingNode的find方法來(lái)定位到nextTable來(lái)
????????//eh=-1，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)ForwardingNode，正在遷移，此時(shí)調(diào)用ForwardingNode的find方法去nextTable里找。
????????//eh=-2，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)TreeBin，此時(shí)調(diào)用TreeBin的find方法遍歷紅黑樹(shù)，由于紅黑樹(shù)有可能正在旋轉(zhuǎn)變色，所以find里會(huì)有讀寫(xiě)鎖。
????????//eh>=0，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)下掛的是一個(gè)鏈表，直接遍歷該鏈表即可。
????????else?if?(eh?0)
????????????return?(p?=?e.find(h,?key))?!=?null???p.val?:?null;
????????while?((e?=?e.next)?!=?null)?{//既不是首節(jié)點(diǎn)也不是ForwardingNode，那就往下遍歷
????????????if?(e.hash?==?h?&&
?????????????((ek?=?e.key)?==?key?||?(ek?!=?null?&&?key.equals(ek))))
?????????????????return?e.val;
????????}
????}
????return?null;
}

get沒(méi)有加鎖的話，ConcurrentHashMap是如何保證讀到的數(shù)據(jù)不是臟數(shù)據(jù)的呢？

volatile登場(chǎng)

對(duì)于可見(jiàn)性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來(lái)保證可見(jiàn)性、有序性。但不保證原子性。

普通的共享變量不能保證可見(jiàn)性，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷闹?，什么時(shí)候被寫(xiě)入主存是不確定的，當(dāng)其他線程去讀取時(shí)，此時(shí)內(nèi)存中可能還是原來(lái)的舊值，因此無(wú)法保證可見(jiàn)性。

• volatile關(guān)鍵字對(duì)于基本類(lèi)型的修改可以在隨后對(duì)多個(gè)線程的讀保持一致，但是對(duì)于引用類(lèi)型如數(shù)組，實(shí)體bean，僅僅保證引用的可見(jiàn)性，但并不保證引用內(nèi)容的可見(jiàn)性。。

• 禁止進(jìn)行指令重排序。

背景：為了提高處理速度，處理器不直接和內(nèi)存進(jìn)行通信，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存（L1，L2或其他）后再進(jìn)行操作，但操作完不知道何時(shí)會(huì)寫(xiě)到內(nèi)存。

• 如果對(duì)聲明了volatile的變量進(jìn)行寫(xiě)操作，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條指令，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存。但是，就算寫(xiě)回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問(wèn)題。

• 在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，當(dāng)某個(gè)CPU在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，則會(huì)通知其他CPU告知該變量的緩存行是無(wú)效的，因此其他CPU在讀取該變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)其無(wú)效會(huì)重新從主存中加載數(shù)據(jù)。

總結(jié)下來(lái)：

第一：使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫(xiě)入主存；

第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量的緩存行無(wú)效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效）；

第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量的緩存行無(wú)效，所以線程1再次讀取變量的值時(shí)會(huì)去主存讀取。

是加在數(shù)組上的volatile嗎?

????/**
?????*?The?array?of?bins.?Lazily?initialized?upon?first?insertion.
?????*?Size?is?always?a?power?of?two.?Accessed?directly?by?iterators.
?????*/
????transient?volatile?Node[]?table;

我們知道volatile可以修飾數(shù)組的，只是意思和它表面上看起來(lái)的樣子不同。舉個(gè)栗子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是數(shù)組元素的值是volatile的.

用volatile修飾的Node

get操作可以無(wú)鎖是由于Node的元素val和指針next是用volatile修飾的，在多線程環(huán)境下線程A修改結(jié)點(diǎn)的val或者新增節(jié)點(diǎn)的時(shí)候是對(duì)線程B可見(jiàn)的。

static?class?Node<K,V>?implements?Map.Entry<K,V>?{
????final?int?hash;
????final?K?key;
????//可以看到這些都用了volatile修飾
????volatile?V?val;
????volatile?Node?next;

????Node(int?hash,?K?key,?V?val,?Node?next)?{
????????this.hash?=?hash;
????????this.key?=?key;
????????this.val?=?val;
????????this.next?=?next;
????}

????public?final?K?getKey()?{?return?key;?}
????public?final?V?getValue()?{?return?val;?}
????public?final?int?hashCode()?{?return?key.hashCode()?^?val.hashCode();?}
????public?final?String?toString(){?return?key?+?"="?+?val;?}
????public?final?V?setValue(V?value)?{
????????throw?new?UnsupportedOperationException();
????}

????public?final?boolean?equals(Object?o)?{
????????Object?k,?v,?u;?Map.Entry?e;
????????return?((o?instanceof?Map.Entry)?&&
??????????(k?=?(e?=?(Map.Entry)o).getKey())?!=?null?&&
??????????(v?=?e.getValue())?!=?null?&&
??????????(k?==?key?||?k.equals(key))?&&
??????????(v?==?(u?=?val)?||?v.equals(u)));?
????}

????/**
????*?Virtualized?support?for?map.get();?overridden?in?subclasses.
????*/
????Node?find(int?h,?Object?k)?{
????????Node?e?=?this;
????????if?(k?!=?null)?{
????????????do?{
????????????????K?ek;
????????????????if?(e.hash?==?h?&&
?????????????????((ek?=?e.key)?==?k?||?(ek?!=?null?&&?k.equals(ek))))
???????????????????return?e;
????????????}?while?((e?=?e.next)?!=?null);
????????}
????????return?null;
????}
}

既然volatile修飾數(shù)組對(duì)get操作沒(méi)有效果那加在數(shù)組上的volatile的目的是什么呢？

其實(shí)就是為了使得Node數(shù)組在擴(kuò)容的時(shí)候?qū)ζ渌€程具有可見(jiàn)性而加的volatile

總結(jié)

• 在1.8中ConcurrentHashMap的get操作全程不需要加鎖，這也是它比其他并發(fā)集合比如hashtable、用Collections.synchronizedMap()包裝的hashmap;安全效率高的原因之一。

• get操作全程不需要加鎖是因?yàn)镹ode的成員val是用volatile修飾的和數(shù)組用volatile修飾沒(méi)有關(guān)系。

• 數(shù)組用volatile修飾主要是保證在數(shù)組擴(kuò)容的時(shí)候保證可見(jiàn)性。

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