java并发之hashmap

Posted 2021-12-05 teach

在Java开发中经常会使用到hashmap，对于hashmap又了解多少，经常听到的一句话是hashmap是线程不安全的，那为什么是线程不安全的，如何才能保证线程安全，JDK又给我们提供了那些线程安全的类，这些问题是今天讨论的问题，

一、hashmap为什么线程不安全

说到hashmap为什么线程不安全，首先要理解线程安全的定义。简单来讲，指的就是两个以上的线程操作同一个hashmap对象，不会发生资源争抢，hashmap中的数据不会错乱。根据以上的说法，我们大体上看下hashmap的源码，分析下其常用方法put、get的源码。

1、hashmap定义（基于JDK1.8）

经常使用hashmap的方式如下，

HashMap map1=new HashMap();

使用最简单粗暴的方式创建一个HashMap的对象，那么在底层是如何创建的，查看源码如下，

    /**
     * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
     * (16) and the default load factor (0.75).
     */
    public HashMap() {
        this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
    

根据上面的提示，可以直到使用这个构造方法创建的对象，其默认初始容量为16，默认的加载因子为0.75。此构造方法就是给loadFactor赋值，赋的为DEFAULT_LOAD_FACTOR其值为0.75，下面看下其一些属性

 /**
     * The default initial capacity - MUST be a power of two.
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

    /**
     * The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
     * by either of the constructors with arguments.
     * MUST be a power of two <= 1<<30.
     */
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    /**
     * The load factor used when none specified in constructor.
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

可以看到默认初始容量为（DEFAULT_INITIAL_CAPACITY）1<<4，即1向左移4为，得出为1*2的4次方，为16。下面看还有最大容量（MAXIMUM_CAPACITY）为1<<30，即1向左移30位，得出为1*2的30次方。下面是默认的负载因子。从上面可以得出HashMap是又最大容量限制的，只不过平时使用的时候很少突破其最大容量（突破了就内存溢出了）。其他的构造函数暂时不看，看其put方法，

 public V put(K key, V value) {
        return putVal(hash(key), key, value, false, true);
    }

调用了putVal方法，

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            if (e != null) { // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            }
        }
        ++modCount;
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

以上便是put方法的全部，代码逻辑暂不分析，从 代码中看不到任何有关并发方面的限制，比如使用synchronized关键字、使用锁、CAS等，那么在多个线程同时操作HashMap对象的时候势必会引起线程安全的问题。下面是其get方法

public V get(Object key) {
        Node<K,V> e;
        return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
    }

调用了getNode方法，

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
            if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return first;
            if ((e = first.next) != null) {
                if (first instanceof TreeNode)
                    return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        return null;
    }

从上面的代码也未看到有关线程并发安全方面的处理。其他方法不一一列举，我们知道HashMap是线程不安全的。

二、如何保证HashMap的线程安全

从上面的分析，我们知道在对HashMap进行添加/取出操作时未进行线程安全的控制，为了使HashMap是线程安全的，我们可以在对HashMap进行操作时枷锁，使用synchronized关键字或者可重入锁，

1、synchronized关键字

为HashMap的操作加synchronized关键字以保证其线程安全，由于synchronized有两种用法，即可以使用代码块及作用于方法上，这里演示作用于方法上，

HashMap map1=new HashMap();
    public  synchronized void putMap() {
        map1.put("test", "test");
        
    }

synchronized关键字的用法可以再复习下哦。

2、可重入锁

使用ReentrantLock可重入锁控制hashMap的插入。

HashMap map1=new HashMap();
public void putMapUseLock() {
        ReentrantLock rl=new ReentrantLock();
        
        try{
            rl.lock();
            map1.put("test", "test");
        }finally {
            rl.unlock();
        }
        
    }

以上时两种解决HashMap线程不安全的解决思路，那么JDK是否提供了类似的解决方案那。

三、JDK提供的线程安全的HashMap

由于HashMap使用的范围很广，所以JDK提供了线程安全的HashMap，说两个常用的ConcurrentHashMap和synchronizedMap，这两个都是线程安全的，但其实现原理不尽相同。

1、synchronizedMap

synchronizedMap是Collections类的静态内部类，使用方法如下，

HashMap map1=new HashMap();
        
Map map=Collections.synchronizedMap(map1);

使用其静态方法synchronizedMap，传入一个Map对象

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
        return new SynchronizedMap<>(m);
    }

返回的synchronizedMap对象，其构造方法如下，

        private final Map<K,V> m;     // Backing Map
        final Object      mutex;        // Object on which to synchronize

        SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
            this.m = Objects.requireNonNull(m);
            mutex = this;
        }

第一步判断参数m是否为null，第二步把this赋值给mutex，那么mutex代表什么意思。下面看其一个put操作，

public V put(K key, V value) {
            synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
        }

看到上面的方法，想必都很惊讶，使用了synchronized代码块，而mutex相当于共享的对象，调用的还是参数m的put方法，所以这里如果m的指向为不安全的HashMap，那么加上synchronized之后便是安全的。

get方法如下，

public V get(Object key) {
            synchronized (mutex) {return m.get(key);}
        }

总结下来，SynchronizedMap是使用Synchronized关键字实现的。

2、ConcurrentHashMap

通过这个类的名字，可以看出其在java.util.concurrent包下，且是为HashMap提供并发操作的类。其使用方式如下，

ConcurrentHashMap map2=new ConcurrentHashMap();

下面看其构造方法，

/**
     * Creates a new, empty map with the default initial table size (16).
     */
    public ConcurrentHashMap() {
    }

很简洁，通过注释可得知构造一个空的Map，其容量为16，和HashMap是一样的，但是这里没有负载因子。再看其他的构造方法

看下其put/get方法

 public V put(K key, V value) {
        return putVal(key, value, false);
    }

    /** Implementation for put and putIfAbsent */
    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;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                                K ek;
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                     (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                    oldVal = e.val;
                                    if (!onlyIfAbsent)
                                        e.val = value;
                                    break;
                                }
                                Node<K,V> pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            Node<K,V> p;
                            binCount = 2;
                            if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                           value)) != null) {
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            }
                        }
                    }
                }
                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

方法名称和HashMap是一样的，从putVal方法中看到了synchronized关键字，即也是使用synchronized关键字实现，但是肯定比synchronizedMap要高效，具体实现逻辑，暂时不分析。

 

综述，分析了Java中使用广泛的HashMap的常用用法及线程安全。

 

有不正之处，欢迎指正！