Java - 线程安全的 HashMap 实现方法及原理

2021-02-12 09:54:13 浏览数 (1)

转载自 http://liqianglv2005.iteye.com/blog/2025016

Java HashMap 是非线程安全的。在多线程条件下，容易导致死循环，具体表现为CPU使用率100%。因此多线程环境下保证 HashMap 的线程安全性，主要有如下几种方法：

  1. 使用 java.util.Hashtable 类，此类是线程安全的。
  2. 使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap，此类是线程安全的。
  3. 使用 java.util.Collections.synchronizedMap() 方法包装 HashMap object，得到线程安全的Map，并在此Map上进行操作。
  4. 自己在程序的关键方法或者代码段加锁，保证安全性，当然这是严重的不推荐。

为什么 HashMap 非线程安全, 可以参考大神陈皓（weibo账号：左耳朵耗子）在他自己技术网站Coolshell上的文章，写的非常详细。文章链接（直通车）：http://coolshell.cn/articles/9606.html

这里重点分析下上面列举的几种方法实现并行安全性的原理：

（一）java.util.Hashtable类：类的主要数据结构如下：

Java代码  

  1. /**
  2.      * The hash table data.
  3.      */
  4. private transient Entry[] table;  
  6. private static class Entry implements Map.Entry {  
  7. int hash;  
  8.     K key;  
  9.     V value;  
  10.     Entry next;  

       可见，Hashtable 的实现是一个数组，每个数组元素是一个LinkList结构，因此类的数据实际上保存在一个散列表中。这个实现和 HashMap 的实现是一致的。数据结构如下：

      那么Hashtable如何保证线程安全性的哪？下面是 Hashtable的源码：

Java代码  

  1. public synchronized V get(Object key) {  
  2.     Entry tab[] = table;  
  3.     …… //此处省略，具体的实现请参考 jdk实现
  4.     }  
  6. public synchronized V put(K key, V value) {  
  7.     …… //具体实现省略，请参考jdk实现
  8.     }  
  11. public synchronized V remove(Object key) {  
  12.     …… //具体实现省略，请参考jdk实现
  13.     }  
  16. public synchronized void putAll(Mapextends K, ? extends V> t) {  
  17. for (Map.Entryextends K, ? extends V> e : t.entrySet())  
  18.             put(e.getKey(), e.getValue());  
  19.     }  
  22. public synchronized void clear() {  
  23.     …… //具体实现省略，请参考jdk实现
  24.     }  

     上面是 Hashtable 提供的几个主要方法，包括 get(), put(), remove() 等。注意到每个方法本身都是 synchronized 的，不会出现两个线程同时对数据进行操作的情况，因此保证了线程安全性，但是也大大的降低了执行效率。因此是不推荐的。

（二）使用 java.util.Collections.synchronizedMap(Map) 方法进行封装。 方法源代码如下：

Java代码  

  1. public static  Map synchronizedMap(Map m) {  
  2. return new SynchronizedMap(m);  
  3.     }  
  6. private static class SynchronizedMap
  7. implements Map, Serializable {  
  8. // use serialVersionUID from JDK 1.2.2 for interoperability
  9. private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L;  
  11. private final Map m;     // Backing Map
  12. final Object      mutex;    // Object on which to synchronize
  14.     SynchronizedMap(Map m) {  
  15. if (m==null)  
  16. throw new NullPointerException();  
  17. this.m = m;  
  18.             mutex = this;  
  19.         }  
  21.     SynchronizedMap(Map m, Object mutex) {  
  22. this.m = m;  
  23. this.mutex = mutex;  
  24.         }  
  26. public int size() {  
  27. synchronized(mutex) {return m.size();}  
  28.         }  
  29. public boolean isEmpty(){  
  30. synchronized(mutex) {return m.isEmpty();}  
  31.         }  
  32. public boolean containsKey(Object key) {  
  33. synchronized(mutex) {return m.containsKey(key);}  
  34.         }  

       从实现源代码可以发现，其封装的本质和 Hashtable 的实现是完全一致的，即对原Map本身的方法进行加锁，加锁的对象或者为外部指定共享对象mutex，或者为包装后的线程安全的Map本身。Hashtable 可以理解为 SynchronizedMap mutex=null 时候的特殊情况。因此这种同步方式的执行效率也是很低的。

        既然已经有了Hashtable， 为什么还需要Collections 提供的这种静态方法包装哪？很简单，这种包装是Java Collection Framework提供的统一接口，除了用于 HashMap 外，还可以用于其他的Map。当然 除了对Map进行封装，Collections工具类还提供了对 Collection（比如Set，List）的线程安全实现封装方法，具体请参考 java.util.Colletions 实现，其原理和 SynchronizedMap 是一致的。

（三） 使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 类。并发编程大师 Doug Lea 出品，绝对精品。这是 HashMap 的线程安全版，同 Hashtable 相比，ConcurrentHashMap 不仅保证了访问的线程安全性，而且在效率上有较大的提高。

ConcurrentHashMap的数据结构如下（引用图片地址http://www.yupoo.com/photos/goldendoc/81556254/）：

可以看出，相对 HashMap 和 Hashtable， ConcurrentHashMap 增加了Segment 层，每个Segment 原理上等同于一个 Hashtable， ConcurrentHashMap 为 Segment 的数组。下面是 ConcurrentHashMap 的 put 和 get 方法：

Java代码  

  1. final Segment segmentFor(int hash) {  
  2. return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];  
  3.     }  
  5. public V put(K key, V value) {  
  6. if (value == null)  
  7. throw new NullPointerException();  
  8. int hash = hash(key.hashCode());  
  9. return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);  
  10.     }  
  12. public V get(Object key) {  
  13. int hash = hash(key.hashCode());  
  14. return segmentFor(hash).get(key, hash);  
  15.     }  

向 ConcurrentHashMap 中插入数据或者读取数据，首先都要讲相应的 Key 映射到对应的 Segment，因此不用锁定整个类， 只要对单个的 Segment 操作进行上锁操作就可以了。理论上如果有 n 个 Segment，那么最多可以同时支持 n 个线程的并发访问，从而大大提高了并发访问的效率。另外 rehash() 操作也是对单个的 Segment 进行的，所以由 Map 中的数据量增加导致的 rehash 的成本也是比较低的。

单个 Segment 的进行数据操作的源码如下：

Java代码  

  1. V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {  
  2.             lock();  
  3. try {  
  4. int c = count;  
  5. if (c  > threshold) // ensure capacity
  6.                     rehash();  
  8.                  …… // 代码省略，具体请查看源码                
  10.             } finally {  
  11.                 unlock();  
  12.             }  
  13.         }  
  15. V replace(K key, int hash, V newValue) {  
  16.             lock();  
  17. try {  
  18.                 HashEntry e = getFirst(hash);  
  20.                  …… // 代码省略，具体请查看源码   
  22.             } finally {  
  23.                 unlock();  
  24.             }  
  25.         }  

   可见对 单个的 Segment 进行的数据更新操作都是 加锁的，从而能够保证线程的安全性。

ConcurrentHashMap 的更具体实现和分析见（直通车） http://www.iteye.com/topic/1103980， 非常详细。

几种线程同步实现方法的效率比较，可以参考（直通车）  http://blog.sina.com.cn/s/blog_734a77160100yku1.html

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