数据结构算法 - ConcurrentHashMap 源码解析

Posted 2021-12-28 hyhy904

五个线程同时往 HashMap 中 put 数据会发生什么？

ConcurrentHashMap 是怎么保证线程安全的？

 

在分析 HashMap 源码时还遗留这两个问题，这次我们站在 Java 多线程内存模型和 synchronized 的实现原理，这两个角度来彻底分析一下。至于 JDK 1.8 的红黑树不是本文探讨的内容。

 

640?wx_fmt=gif1. Java 多线程内存模型

 

五个线程同时往 HashMap 中 put 数据会出现两种现象，大概率会出现数据丢失，小概率会出现死循环，我们不妨写个测试代码自己验证一下。那为什么会出现这两种现象，我们先来回顾一下之前的Java 多线程内存模型。请看图：

 

640?wx_fmt=other

 

Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要在主内存来完成，线程、主内存和工作内存的交互关系如上图所示。

 

现在我们来想象一下，假设线程 1 把数据读到了自己的工作内存中，在 tab 角标为 1 的链表头插入了一条新的数据，倘若这时还没来得及将新增的数据刷新到主内中。接着线程 2 就把数据读到了自己的工作内存中，在 tab 角标为 1 的链表头插入了一条新的数据。接着线程 1 把新增数据刷新到主内存中，线程 2 也把数据新增数据刷新到主内存中，那么线程 2 就会覆盖线程 1 的新增数据，从而导致数据丢失的情况。这里需要注意的是，只有两个线程都是操作 tab 的同一个 index 链表才会导致数据丢失的情况，如果不是同一个 index 链表就不会有覆盖和丢失这一说。

 

640?wx_fmt=gif2. synchronized 的底层实现原理

关于 HashMap 的线程不安全问题，Java 给我们提供了三种方案，第一种是 HashTable ，第二种是 Collections.synchronizedMap() ，第三种是 ConcurrentHashMap 。而第一种和第二种都是通过用 synchronized 同步方法来保证线程安全，性能上有所欠缺不推荐大家使用。ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 之前采用的是 Segment 分段锁来实现的，而 JDK 1.8 之后则采用 synchronized 和 CAS 来实现。

 

HashTable 通过锁住整个 put 和 get 方法来实现线程安全并不是很合理，因为一个线程在 put 的时候，另外一个线程不能再 put 和 get 必须进入等待状态。同理一个线程在 get 的时候，另外一个线程也不能再 get 和 put 。上面通过分析只有两个线程都是操作 tab 的同一个 index 链表才会导致数据丢失的情况，如果不是同一个 index 链表就不会有覆盖和丢失这一说。因此也没必要锁住整个方法，只需要锁住每个 tab 的 index 链即可。

 

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 之前采用的是 Segment 继承自 ReentrantLock 来锁住 tab 的 index 链，而 JDK 1.8 之后则采用 synchronized 来实现，这两者又有什么区别？我们首先看下 synchronized 的底层是怎么实现线程安全的。Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现有以下3种形式。

 

// 1.对于普通同步方法，锁是当前实例对象。this
public synchronized void method()

// 2.对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。this.class
public static synchronized void method()

// 3.对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。object
public static synchronized void method()
synchronized(object)

 

我们可能会想锁到底存在哪里呢？锁里面会存储什么信息呢？其实 synchronized 同步的代码块，虚拟机在同步代码块开始前会插入一条 monitorenter 指令，在代码块的末尾会插入一条 monitorexit 指令。而每个对象的 Mark Word 头信息里都会存储 Monitor 信息，也就是当前对象的锁信息，当然 Mark Word 头信息还包含对象的 hashCode 和 GC 的分代年龄，具体请看下表：

 

640?wx_fmt=png

 

Lock 的实现原理和 synchronized 有些类似，都是通过线程的原子性来保证线程同步，具体的实现的方式大家可以去看下 ReentrantLock 的源码实现。那为什么在 JDK 1.8 之后要采用 synchronized 和 CAS 来实现？在 JDK 1.6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。当线程 1 进入同步代码块遇到 monitorenter 指令，首先判断锁的状态发现是 0 ，采用 CAS 将锁的状态设置为 1，偏向锁设置为 1，锁的标致位设置为 1 ，继续执行同步代码块里面的指令。这是若线程 2 也来到了同步代码块，也会遇到 monitorenter 指令，首先判断锁的状态发现是 1 进入等待中，等线程 1 执行完同步代码块遇到 monitorenter 指令，首先会清空锁的状态然后唤醒线程 2 。如此反复即可保证线程安全。

 

偏向锁

 

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程 ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用 CAS 竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

 

轻量级锁

 

线程在执行同步块之前，JVM 会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中。然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

 

重量级锁

 

轻量级锁采用自旋的方式不断的尝试获取锁，如果长时间获取不到锁势必会不断消耗 CPU 的资源。所以当线程竞争比较激烈或者线程迟迟获取不到锁，就会升级为重量级的锁状态，此时线程是阻塞的，且响应时间缓慢。

 

640?wx_fmt=gif3. ConcurrentHashMap 源码分析

// volatile 保证可见性
transient volatile Node<K,V>[] table;

// 新增元素的方法
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent)
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
// 二次 hash
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;)
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 如果 tab 为空，初始化 tab
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();

// 当前 tab 的 index 链表为 null
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;
// 锁住当前 tab 的 index 链表（分段锁）
synchronized (f)
if (tabAt(tab, i) == f)
if (fh >= 0)
binCount = 1;
// ......

public V get(Object key)
Node<K,V>[http://www.my516.com] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
int h = spread(key.hashCode());
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
// CAS 操作
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null)
if ((eh = e.hash) == h)
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;

else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
// 遍历当前列表
while ((e = e.next) != null)
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;


return null;

 

最后值得一提的是 table 和 Node 对象中的 next 和 val 都是采用 volatile 来修饰的。