HashMap与ConcurrentHashMap

Posted 2020-12-02 xiangkejin

HashMap

（1）初始化方法

HashMap的实现方式是：数组+链表 的形式。

在HashMap中有两个参数会影响HashMap的性能：初始容量/加载因子

初始容量：Hash表中桶的数量 
加载因子：是Hash表在自动增加之前可以达到多满的一个尺度。

通过计算key的hash值和数组长度值进行取模确定该key在数组中的索引。

//初始容量，默认16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; 
//加载因子，默认0.75
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

这两个参数的作用是：当Hash表中的条目数量超过了加载因子与当前容量的乘积，将会调用resize()进行扩容，将容量翻倍。 
这两个参数在初始化HashMap的时候可以进行设置：可以单独指定初始容量，也可以同时设置 

（3）HashMap的线程不安全原因一：死循环

原因在于HashMap在多线程情况下，执行resize()进行扩容时容易造成死循环。 
扩容思路为它要创建一个大小为原来两倍的数组，保证新的容量仍为2的N次方，从而保证上述寻址方式仍然适用。扩容后将原来的数组从新插入到新的数组中。这个过程称为reHash。

【单线程下的reHash】 

• 扩容前：我们的HashMap初始容量为2，加载因子为1，需要向其中存入3个key，分别为5、9、11，放入第三个元素11的时候就涉及到了扩容。
• 第一步：先创建一个二倍大小的数组，接下来把原来数组中的元素reHash到新的数组中，5插入新的数组，没有问题。
• 第二步：将9插入到新的数组中，经过Hash计算，插入到5的后面。
• 第三步：将11经过Hash插入到index为3的数组节点中。

单线程reHash完全没有问题。

【多线程下的reHash】 

多线程HashMap的resize

我们假设有两个线程同时需要执行resize操作，我们原来的桶数量为2，记录数为3，需要resize桶到4，原来的记录分别为：[3,A],[7,B],[5,C]，在原来的map里面，我们发现这三个entry都落到了第二个桶里面。
假设线程thread1执行到了transfer方法的Entry next = e.next这一句，然后时间片用完了，此时的e = [3,A], next = [7,B]。线程thread2被调度执行并且顺利完成了resize操作，需要注意的是，此时的[7,B]的next为[3,A]。此时线程thread1重新被调度运行，此时的thread1持有的引用是已经被thread2 resize之后的结果。线程thread1首先将[3,A]迁移到新的数组上，然后再处理[7,B]，而[7,B]被链接到了[3,A]的后面，处理完[7,B]之后，就需要处理[7,B]的next了啊，而通过thread2的resize之后，[7,B]的next变为了[3,A]，此时，[3,A]和[7,B]形成了环形链表，在get的时候，如果get的key的桶索引和[3,A]和[7,B]一样，那么就会陷入死循环。

（4）HashMap的线程不安全原因二：fail-fast

如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map，那么将抛出ConcurrentModificationException，这就是所谓fail-fast。 
在每一次对HashMap进行修改的时候，都会变动类中的modCount域，即modCount变量的值。

解决办法：可以使用Collections的synchronizedMap方法构造一个同步的map，或者直接使用线程安全的ConcurrentHashMap来保证不会出现fail-fast策略。

ConcurrentHashMap

（1）结构 [Java7与Java8不同]

• Java7里面的ConcurrentHashMap的底层结构仍然是数组和链表，与HashMap不同的是ConcurrentHashMap的最外层不是一个大的数组，而是一个Segment数组。每个Segment包含一个与HashMap结构差不多的链表数组。
• 当我们读取某个Key的时候它先取出key的Hash值，并将Hash值得高sshift位与Segment的个数取模，决定key属于哪个Segment。接着像HashMap一样操作Segment。
• 为了保证不同的Hash值保存到不同的Segment中，ConcurrentHashMap对Hash值也做了专门的优化。

• Segment继承自J.U.C里的ReetrantLock，所以可以很方便的对Segment进行上锁。即分段锁。理论上最大并发数是和segment的个数是想等的。 
  

• Java8为了进一步提高并发性，废弃了Java7中ConcurrentHashMap中分段锁的方案，并且不使用Segment，转为使用大的数组。同时为了提高Hash碰撞下的寻址做了性能优化。

• Java8在列表的长度超过了一定的值（默认8）时，将链表转为红黑树实现。寻址的复杂度从O(n)转换为Olog(n)。java8也是通过计算key的hash值和数组长度值进行取模确定该key在数组中的索引。但是java8引入红黑树，即使hash冲突比较高，寻址效率也会是比较高的。

对比

• HashMap非线程安全、ConcurrentHashMap线程安全
• HashMap允许Key与Value为空，ConcurrentHashMap不允许
• HashMap不允许通过迭代器遍历的同时修改，ConcurrentHashMap允许。并且更新可见