ConcurrentHashMap 線程安全實現(xiàn)簡述

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 時，使用的是分段鎖也就是 Segment 來實現(xiàn)線程安全的。

然而它在 JDK 1.8 之后，使用的是 CAS + synchronized 或 CAS + volatile 來實現(xiàn)線程安全的。

JDK 1.7 底層結(jié)構(gòu)

ConcurrentHashMap 在不同的 JDK 版本中實現(xiàn)是不同的，在 JDK 1.7 中它使用的是數(shù)組加鏈表的形式實現(xiàn)的，而數(shù)組又分為：大數(shù)組 Segment 和小數(shù)組 HashEntry。 大數(shù)組 Segment 可以理解為 MySQL 中的數(shù)據(jù)庫，而每個數(shù)據(jù)庫（Segment）中又有很多張表 HashEntry，每個 HashEntry 中又有多條數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是用鏈表連接的，如下圖所示：

JDK 1.7 線程安全實現(xiàn)

了解了 ConcurrentHashMap 的底層實現(xiàn)，再看它的線程安全實現(xiàn)就比較簡單了。

接下來，我們通過添加元素 put 方法，來看 JDK 1.7 中 ConcurrentHashMap 是如何保證線程安全的，具體實現(xiàn)源碼如下：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 在往該 Segment 寫入前，先確保獲取到鎖
    HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); 
    V oldValue;
    try {
        // Segment 內(nèi)部數(shù)組
        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，如果超過閾值則進(jìn)行 rehash
                // 忽略其他代碼...
            }
        }
    } finally {
        // 釋放鎖
        unlock();
    }
    return oldValue;
}

從上述源碼我們可以看出，Segment 本身是基于 ReentrantLock 實現(xiàn)的加鎖和釋放鎖的操作，這樣就能保證多個線程同時訪問 ConcurrentHashMap 時，同一時間只有一個線程能操作相應(yīng)的節(jié)點，這樣就保證了 ConcurrentHashMap 的線程安全了。

也就是說 ConcurrentHashMap 的線程安全是建立在 Segment 加鎖的基礎(chǔ)上的，所以我們把它稱之為分段鎖或片段鎖，如下圖所示：

JDK 1.8 底層結(jié)構(gòu)

在 JDK 1.7 中，ConcurrentHashMap 雖然是線程安全的，但因為它的底層實現(xiàn)是數(shù)組 + 鏈表的形式，所以在數(shù)據(jù)比較多的情況下訪問是很慢的，因為要遍歷整個鏈表，而 JDK 1.8 則使用了數(shù)組 + 鏈表/紅黑樹的方式優(yōu)化了 ConcurrentHashMap 的實現(xiàn)，具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下：

鏈表升級為紅黑樹的規(guī)則：當(dāng)鏈表長度大于 8，并且數(shù)組的長度大于 64 時，鏈表就會升級為紅黑樹的結(jié)構(gòu)。

PS：ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 雖然保留了 Segment 的定義，但這僅僅是為了保證序列化時的兼容性，不再有任何結(jié)構(gòu)上的用處了。

JDK 1.8 線程安全實現(xiàn)

在 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是 CAS + volatile 或 synchronized 的方式來保證線程安全的，它的核心實現(xiàn)源碼如下：

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) { // 節(jié)點為空
            // 利用 CAS 去進(jìn)行無鎖線程安全操作，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) {
                   // 細(xì)粒度的同步修改操作... 
                }
            }
            // 如果超過閾值，升級為紅黑樹
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

從上述源碼可以看出，在 JDK 1.8 中，添加元素時首先會判斷容器是否為空，如果為空則使用 volatile 加 CAS 來初始化。如果容器不為空則根據(jù)存儲的元素計算該位置是否為空，如果為空則利用 CAS 設(shè)置該節(jié)點；如果不為空則使用 synchronize 加鎖，遍歷桶中的數(shù)據(jù)，替換或新增節(jié)點到桶中，最后再判斷是否需要轉(zhuǎn)為紅黑樹，這樣就能保證并發(fā)訪問時的線程安全了。

我們把上述流程簡化一下，我們可以簡單的認(rèn)為在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 是在頭節(jié)點加鎖來保證線程安全的，鎖的粒度相比 Segment 來說更小了，發(fā)生沖突和加鎖的頻率降低了，并發(fā)操作的性能就提高了。而且 JDK 1.8 使用的是紅黑樹優(yōu)化了之前的固定鏈表，那么當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大的時候，查詢性能也得到了很大的提升，從之前的 O(n) 優(yōu)化到了 O(logn) 的時間復(fù)雜度，具體加鎖示意圖如下：

小結(jié)

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 時使用的是數(shù)據(jù)加鏈表的形式實現(xiàn)的，其中數(shù)組分為兩類：大數(shù)組 Segment 和小數(shù)組 HashEntry，而加鎖是通過給 Segment 添加 ReentrantLock 鎖來實現(xiàn)線程安全的。而 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是數(shù)組+鏈表/紅黑樹的方式實現(xiàn)的，它是通過 CAS 或 synchronized 來實現(xiàn)線程安全的，并且它的鎖粒度更小，查詢性能也更高。

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