ConcurrentHashMap，一条长着熊掌的鱼

点融黑帮 2016-10-10 16:00

在现实开发中，不可避免地会碰到一些多线程并发访问的情况。为了解决这个问题，HashTable 和HashMap 先后诞生。

问题也随之而来，使用后发现HashTable 虽然能保证线程安全但是效率低下，而HashMap 虽然效率高于hashTable 但是是非线程安全的。这个很像一个鱼与熊掌的问题，真的不可兼得吗？

于是人们就考虑有没有一种及支持并发有能保证线程安全的方法。终于，在JDK1.5中，伟大的Doug Lea 给我们带来了concurrent 包，从此Map 也有安全的了，这就是ConcurrentHashMap。安全且高效，像一条长了熊掌的鱼。

为了更好的理解ConcurrentHashMap的优点，我们先了解下它的两个前辈HashTable 和HashMap。

效率低下的HashTable

在多线程并发访问的场景中，如何保证线程的安全很重要。

容器HashTable 使用Synchronize 来确保线程的安全，其将所有对容器状态的访问都串行化了，一个线程访问其他线程都需要等待。

HashTable 只有一把锁，当一个线程访问HashTable 的同步方法时，会将整张table 锁住，当其他线程也想访问HashTable 同步方法时，就会进入阻塞或轮询状态。也就是确保同一时间只有一个线程对同步方法的占用，避免多个线程同时对数据的修改，确保线程的安全性。

但HashTable 对get，put，remove 方法都使用了同步操作，这就造成如果两个线程都只想使用get 方法去读取数据时，因为一个线程先到进行了锁操作，另一个线程就不得不等待，这样必然导致效率低下，而且竞争越激烈，效率越低下。

线程不安全的HashMap

JDK1.2 引进了Map 接口的一个实现HashMap，它是HashTable 的轻量级实现，并不是Synchronize 的所以效率高于HashTable，同时也导致HashMap 是非线程安全的。

HashMap的本质：数组+链表。

根据key 调用hashCode() 方法取得hash 值，然后计算出数组下标，如果多个key 对应到同一个下标，就用链表串起来，新加入的节点会从头结点加入。

Javadoc 中关于hashmap 有一段这样的描述：此实现不是同步的。如果多个线程同时访问一个哈希映射，而其中至少一个线程从结构上修改了该映射，则它必须保持外部同步。

即多线程访问时必须为之提供外同步（Collections.synchronizedMap）。

在hashmap 做put 操作的时候会调用到以上的方法。假如A线程和B线程同时对同一个数组位置调用addEntry，两个线程会同时得到现在的头结点，然后A写入新的头结点之后，B也写入新的头结点，那B的写入操作就会覆盖A的写入操作造成A的写入操作丢失。同理，当多线程对同一数组位置进行remove操作时也会产生覆盖。

因此如果不进行额外的外同步操作，HashMap 是非线程安全的。

并发又安全的ConcurrentHashMap

ConcourrentHashMap 保证线程安全的方法是：分段锁技术

如上图，在hashMap 的基础上，ConcurrentHashMap 将数据分为多个segment（默认16个），然后每次操作对一个segment 加锁，HashTable 在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因是，由于所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁，而ConcurrentHashMap 将数据分到多个segment 中（默认16，也可在申明时自己设置，不过一旦设定就不能更改，扩容都是扩充各个segment 的容量），每个segment 都有一个自己的锁，只要多个线程访问的不是同一个segment 就没有锁争用，就没有堵塞，也就是允许16个线程并发的更新而尽量没有锁争用。

ConcurrentHashMap 的segment 就类似一个HashTable，但比HashTable 更加优化，前面说过HashTable 对get，put，remove 方法都会使用锁，而ConcurrnetHashMap 中get 方法是不涉及到锁的，如下：

在并发读取时，除了key 对应的value 为null 外，并没有用到锁，所以对于读操作无论多少线程并发都是安全高效的。

这里除了加锁操作，其他与普通HashMap 原理上无太大区别。

ConcurrentHashMap 只有put 和remove 这种更新操作要使用锁。

ConcurrentHashMap 实现技术是保证HashEntry 几乎是不可变的，HashEntry 代表每个hash 链中的一个节点。

static final class HashEntry {

final K key;

final int hash;

volatile V value;

final HashEntry next;

可以看到除了value 不是final 的，其他的值都是final 的，这意味着不能从hash 链的中间或尾部添加或删除节点，因为这需要修改next 引用值，所有的节点的修改只能从头部开始。对于put 操作，可以一律添加到Hash 链的头部。但是对于remove 操作，可能需要从中间删除一个节点，这就需要将要删除节点的前面所有节点整个复制一遍，最后一个节点指向要删除结点的下一个结点。

而将value 设成volatile 的可以确保读操作看到最新的值，即ConcurrentHashMap 支持一边更新一边遍历。

本文作者：熊舜 （点融黑帮），毕业于武汉大学，现就职于点融网Financial Core部门，Java开发工程师，喜欢篮球，旅行，骑行。

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