Java多线程（二十四）---ConcurrentHashMap

2018-09-30 本文已影响24人凯玲之恋

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ConcurrentHashMap是线程安全且高效的HashMap。

1 为什么要使用ConcurrentHashMap

HashMap可能导致程序死循环
效率低下的HashTable
ConcurrentHashMap的锁分段技术可有效提升并发访问率

1.1 HashMap可能导致程序死循环

线程不安全的HashMap 在多线程环境下，使用HashMap进行put操作会引起死循环，导致CPU利用率接近100%，所以在并发情况下不能使用HashMap。

  final HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>(2);
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
                        }
                    }, "ftf" + i).start();
                }
            }
        }, "ftf");
        t.start();
        t.join();

HashMap在并发执行put操作时会引起死循环，是因为多线程会导致HashMap的Entry链表形成环形数据结构，一旦形成环形数据结构，Entry的next节点永远不为空，就会产生死循环获取Entry。

1.2 效率低下的HashTable

效率低下的HashTable HashTable容器使用synchronized来保证线程安全，但在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。
因为当一个线程访问HashTable的同步方法，其他线程也访问HashTable的同步方法时，会进入阻塞或轮询状态。
如线程1使用put进行元素添加，线程2不但不能使用put方法添加元素，也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。

1.3 ConcurrentHashMap的锁分段技术可有效提升并发访问率

HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因是所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁
假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术。
首先将数据分成一段一段地存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。

2 ConcurrentHashMap的结构

通过ConcurrentHashMap的类图来分析ConcurrentHashMap的结构

ConcurrentHashMap的类图.jpg

ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。
Segment是一种可重入锁（ReentrantLock），在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色；HashEntry则用于存储键值对数据。
一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组。
Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构。一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素，每个Segment守护着一个HashEntry数组里的元素，当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得与它对应的Segment锁

ConcurrentHashMap的结构.jpg

3ConcurrentHashMap的初始化

ConcurrentHashMap初始化方法是通过initialCapacity、loadFactor和concurrencyLevel等几个参数来初始化segment数组、段偏移量segmentShift、段掩码segmentMask和每个segment里的HashEntry数组来实现的。

3.1 初始化segments数组

  if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
            concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
        int sshift = 0;
        int ssize = 1;
        while (ssize < concurrencyLevel) {
            ++sshift;
            ssize <<= 1;
        }
        segmentShift = 32 - sshift;
        segmentMask = ssize - 1;
        this.segments = Segment.newArray(ssize);

由上面的代码可知，segments数组的长度ssize是通过concurrencyLevel计算得出的。
为了能通过按位与的散列算法来定位segments数组的索引，必须保证segments数组的长度是2的N次方（power-of-two size），所以必须计算出一个大于或等于concurrencyLevel的最小的2的N次方值来作为segments数组的长度。
假如concurrencyLevel等于14、15或16，ssize都会等于16，即容器里锁的个数也是16。注意　concurrencyLevel的最大值是65535，这意味着segments数组的长度最大为65536，对应的二进制是16位。

3.2 初始化segmentShift和segmentMask

这两个全局变量需要在定位segment时的散列算法里使用
sshift等于ssize从1向左移位的次数
在默认情况下concurrencyLevel等于16，1需要向左移位移动4次，所以sshift等于4。
segmentShift用于定位参与散列运算的位数，segmentShift等于32减sshift，所以等于28，这里之所以用32是因为ConcurrentHashMap里的hash()方法输出的最大数是32位的，后面的测试中我们可以看到这点。
segmentMask是散列运算的掩码，等于ssize减1，即15，掩码的二进制各个位的值都是1。因为ssize的最大长度是65536，所以segmentShift最大值是16，segmentMask最大值是65535，对应的二进制是16位，每个位都是1。

3.3 初始化每个segment

输入参数initialCapacity是ConcurrentHashMap的初始化容量，loadfactor是每个segment的负载因子，在构造方法里需要通过这两个参数来初始化数组中的每个segment。

 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        int c = initialCapacity / ssize;
        if (c * ssize < initialCapacity)
            ++c;
        int cap = 1;
        while (cap < c)
            cap <<= 1;
        for (int i = 0; i < this.segments.length; ++i)
            this.segments[i] = new Segment<K,V>(cap, loadFactor);

上面代码中的变量cap就是segment里HashEntry数组的长度，它等于initialCapacity除以ssize的倍数c，如果c大于1，就会取大于等于c的2的N次方值，所以cap不是1，就是2的N次方。
segment的容量threshold＝（int）cap*loadFactor，默认情况下initialCapacity等于16，loadfactor等于0.75，通过运算cap等于1，threshold等于零。

3.4 定位Segment

既然ConcurrentHashMap使用分段锁Segment来保护不同段的数据，那么在插入和获取元素的时候，必须先通过散列算法定位到Segment。
可以看到ConcurrentHashMap会首先使用Wang/Jenkins hash的变种算法对元素的hashCode进行一次再散列。

  private static int hash(int h) {
        h += (h << 15) ^ 0xffffcd7d;
        h ^= (h >>> 10);
        h += (h << 3);
        h ^= (h >>> 6);
        h += (h << 2) + (h << 14);
        return h ^ (h >>> 16);
    }

之所以进行再散列，目的是减少散列冲突，使元素能够均匀地分布在不同的Segment上，从而提高容器的存取效率。
假如散列的质量差到极点，那么所有的元素都在一个Segment中，不仅存取元素缓慢，分段锁也会失去意义。
书中作者进行测试不通过再散列而直接执行散列计算。

System.out.println(Integer.parseInt("0001111", 2) & 15);
System.out.println(Integer.parseInt("0011111", 2) & 15);
System.out.println(Integer.parseInt("0111111", 2) & 15);
System.out.println(Integer.parseInt("1111111", 2) & 15);

计算后输出的散列值全是15，通过这个例子可以发现，如果不进行再散列，散列冲突会非常严重，因为只要低位一样，无论高位是什么数，其散列值总是一样。
我们再把上面的二进制数据进行再散列后结果如下（为了方便阅读，不足32位的高位补了0，每隔4位用竖线分割下）。

0100｜0111｜0110｜0111｜1101｜1010｜0100｜1110
1111｜0111｜0100｜0011｜0000｜0001｜1011｜1000
0111｜0111｜0110｜1001｜0100｜0110｜0011｜1110
1000｜0011｜0000｜0000｜1100｜1000｜0001｜1010

可以发现，每一位的数据都散列开了，通过这种再散列能让数字的每一位都参加到散列运算当中，从而减少散列冲突。
ConcurrentHashMap通过以下散列算法定位segment。

 final Segment<K,V> segmentFor(int hash) {
        return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];
  }

默认情况下segmentShift为28，segmentMask为15，再散列后的数最大是32位二进制数据，向右无符号移动28位，意思是让高4位参与到散列运算中，（hash>>>segmentShift）&segmentMask的运算结果分别是4、15、7和8，可以看到散列值没有发生冲突。

3.5 ConcurrentHashMap的操作

ConcurrentHashMap的3种操作——get操作、put操作和size操作。

3.5.1 get操作

Segment的get操作实现非常简单和高效。
先经过一次再散列，然后使用这个散列值通过散列运算定位到Segment，再通过散列算法定位到元素

public V get(Object key) {
        int hash = hash(key.hashCode());
        return segmentFor(hash).get(key, hash);
    }

get操作的高效之处在于整个get过程不需要加锁，除非读到的值是空才会加锁重读。
我们知道HashTable容器的get方法是需要加锁的，那么ConcurrentHashMap的get操作是如何做到不加锁的呢？
原因是它的get方法里将要使用的共享变量都定义成volatile类型，如用于统计当前Segement大小的count字段和用于存储值的HashEntry的value。
定义成volatile的变量，能够在线程之间保持可见性，能够被多线程同时读，并且保证不会读到过期的值，但是只能被单线程写（有一种情况可以被多线程写，就是写入的值不依赖于原值），在get操作里只需要读不需要写共享变量count和value，所以可以不用加锁。
之所以不会读到过期的值，是因为根据Java内存模型的happen before原则，对volatile字段的写入操作先于读操作，即使两个线程同时修改和获取volatile变量，get操作也能拿到最新的值，这是用volatile替换锁的经典应用场景。

transient volatile int count;
volatile V value;

在定位元素的代码里我们可以发现，定位HashEntry和定位Segment的散列算法虽然一样，都与数组的长度减去1再相“与”，但是相“与”的值不一样，定位Segment使用的是元素的hashcode通过再散列后得到的值的高位，而定位HashEntry直接使用的是再散列后的值。
其目的是避免两次散列后的值一样，虽然元素在Segment里散列开了，但是却没有在HashEntry里散列开。

hash >>> segmentShift) & segmentMask　　          
// 定位Segment所使用的hash算法
int index = hash & (tab.length - 1);　　          
// 定位HashEntry所使用的hash算法

3.5.2 put操作

由于put方法里需要对共享变量进行写入操作，所以为了线程安全，在操作共享变量时必须加锁。
put方法首先定位到Segment，然后在Segment里进行插入操作。
插入操作需要经历两个步骤，第一步判断是否需要对Segment里的HashEntry数组进行扩容，第二步定位添加元素的位置，然后将其放在HashEntry数组里。
（1）是否需要扩容
- 在插入元素前会先判断Segment里的HashEntry数组是否超过容量（threshold），如果超过阈值，则对数组进行扩容。
- 值得一提的是，Segment的扩容判断比HashMap更恰当，因为HashMap是在插入元素后判断元素是否已经到达容量的，如果到达了就进行扩容，但是很有可能扩容之后没有新元素插入，这时HashMap就进行了一次无效的扩容。
（2）如何扩容
- 在扩容的时候，首先会创建一个容量是原来容量两倍的数组，然后将原数组里的元素进行再散列后插入到新的数组里。
- 为了高效，ConcurrentHashMap不会对整个容器进行扩容，而只对某个segment进行扩容。

3.5.3 size操作

如果要统计整个ConcurrentHashMap里元素的大小，就必须统计所有Segment里元素的大小后求和
Segment里的全局变量count是一个volatile变量，那么在多线程场景下，是不是直接把所有Segment的count相加就可以得到整个ConcurrentHashMap大小了呢？不是的，虽然相加时可以获取每个Segment的count的最新值，但是可能累加前使用的count发生了变化，那么统计结果就不准了。
所以，最安全的做法是在统计size的时候把所有Segment的put、remove和clean方法全部锁住，但是这种做法显然非常低效。
因为在累加count操作过程中，之前累加过的count发生变化的几率非常小，所以ConcurrentHashMap的做法是先尝试2次通过不锁住Segment的方式来统计各个Segment大小，如果统计的过程中，容器的count发生了变化，则再采用加锁的方式来统计所有Segment的大小。
那么ConcurrentHashMap是如何判断在统计的时候容器是否发生了变化呢？使用modCount变量，在put、remove和clean方法里操作元素前都会将变量modCount进行加1，那么在统计size前后比较modCount是否发生变化，从而得知容器的大小是否发生变化。

参考

《java并发编程的艺术》