并发映射--ConcurrentMap

Posted 2020-12-11 juzhuxiaozhu

ConcurrentMap

一.概述

---

ConcurrentMap及其子类是JDK1.5提供的一套用于应对高并发的映射机制，在高并发时能比较好地保证线程安全。

二. ConcurrentHashMap(并发哈希映射)

---

1. 性质（其下前4点同HashMap的性质）

   • 底层基于数组+链表的结构实现

   • 数组的默认容量16（表示有16个桶）

   • 默认加载因子：0.75

   • 默认扩容方法：增加一倍的桶容量（13个桶的时候开始扩容，12只是个边界值，非扩容点）

   • 若给定初始值，则会在底层有以下判断（源码）

     

     • 其中MAXIMUM_CAPACITY=2³⁰ 可以看出，ConcurrentHashMap最多允许存在2³⁰个桶。

     • 若初始值 >=2^30-1 则给最大容量，否则按运算规则计算真实容量。经计算，若初始值给19，则实际容量为32 ；若初始值给48则实际容量为128。理论上可证，给出任意一个初始值，其真实大小一定是2的n次方。进一步可以发现：

     • 注意：向下取整

     [ 19 ightarrow 19+1+lfloor19/2 floor=29 ightarrow 16<29<32 ightarrow32 48 ightarrow 48+1+lfloor48/2 floor=73 ightarrow 64<73<128 ightarrow 128 ]

   • 与ConcurrentHashMap不同，HashMap直接拿值进入tableSizeFor计算，有兴趣可以看看源码。

   ?? 问：若给定初始容量为100，在极端情况下，ConcurrentHashMap需不需要扩容？HashMap需不需要扩容？

   【注】极端条件：元素都放在桶里

   • ConcurrentHashMap:
   [100+1+lfloor100div2 floor=151128<151<256256 imes0.75>100 ]

   => 不需要扩容

   • HashMap：
   [64<100<128128 imes0.75<100 ]

   => 需要扩容

2. 在JDK1.8中，为了提高效率引入了红黑树机制，当桶中的元素个数超过8时，这个桶的链表扭转成一颗红黑树。如果红黑树的节点个数不足7个时，红黑树扭转回链表。

   • 扭转成红黑树的必要前提：桶的数量>=64

   ??红黑树（本质上是一棵自平衡二叉查找树）

   • 树：一种数据结构，每个结点有零个或多个子结点；没有父结点的结点称为根结点；每一个非根结点有且只有一个父结点；除了根结点外，每个子结点可以分为多个不相交的子树；

   • 二叉树：每个结点最多只能有两棵子树，且有左右之分

   • 二叉查找树(二叉排序树)：
     1. 若左子树不空，则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值；
     2. 若右子树不空，则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值；
     3. 左、右子树也分别为二叉排序树；
     4. 没有键值相等的结点。

   • 平衡二叉查找树：叶节点高度差的绝对值不超过1，并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树。（平衡的特点）

   • 红黑树（自平衡二叉树）：

     1. 所有节点非红即黑。
     2. 根节点为黑。
     3. 红节点的子节点一定为黑（反之不成立）。
     4. 叶子节点是黑色的空节点。
     5. 从根节点到叶子节点经过的路径中黑色节点个数一致，即黑节点高度一致。
     6. 新添节点的颜色一定是红的。（与第三点有可能相背，这时就需要修正了)
     7. 需要在代码上手动实现自平衡的特点（修正）

   • 红黑树在构建过程中，每次添加一个新的节点都需要考虑是否需要修正：

     • 涂色
     • 左旋
     • 右旋

   • 时间复杂度：Olog(n)

   • 异步线程安全

   • HashMap-异步线程不安全。因为没有锁，可能发生两个线程操作同一个链。

   • Hashtable-对外提供的所有方法都加了锁（除了构造方法），锁对象是this。因此，其会把整个映射都锁起来，虽然线程安全了，但是只能同步访问，效率低下。

   • ConcurrentHashMap-采用了分段（桶）锁机制，在后序版本中，ConcurrentHashMap在分段锁基础上引入了读写锁机制：

     • 读锁：允许多个线程同时读，但是读的过程中不允许有写操作。
     • 写锁：只允许一个线程写，不允许线程读。

   • CAS-ConcurrentHashMap利用锁保证线程安全，但是在使用锁的时候，造成CPU的资源浪费（例如线程调度，线程上下文切换等）在JDK1.8中，考虑到锁带来的开销，引入了无锁算法CAS(Compare And Swp)

     • 官方解释：我认为V的值应该是A，如果是，那么将V的值更新为B，否则不修改并告诉V的实际值是多少。

       其中：V代表内存值，A代表旧的预期值，B代表新的预期值。

       其目的在于判断欲修改的值是否被修改过。

     • CAS的过程一旦被打断，就会重新开始。以确保操作的原子性。

     • 因为CAS涉及到线程的重新调度问题，所以需要结合具体的cpu内核架构来涉及，因此Java的CAS底层是依靠C语言实现的。目前市面上，服务器流行的内核架构都是支持CAS。

三. ConcurrentNavigableMap（并发导航映射）

---

1. 提供了用于截取子映射的方法

2. ConcurrentNavigableMap是一个接口，一般使用的是它的实现类：ConcurrentSkipListMap：并发跳跃映射表。底层基于跳跃表实现。

3. 跳跃表：

   1. 针对有序列表进行操作。
   2. 适用于查询多而增删少的场景。
   3. 以空间换时间。（构建跳跃表）
   4. 跳跃表允许进行多层提取，最上层元素个数不能少于两个。
   5. 如果在跳跃表中新添了元素，在考虑是否提取到上层的跳跃表中遵循"抛硬币"原则。
   6. 时间复杂度:O(logn)

4. 几个方法和性值