Java编程的逻辑 (74) - 并发容器 - ConcurrentHashMap

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本节介绍一个常用的并发容器 - ConcurrentHashMap，它是HashMap的并发版本，与HashMap相比，它有如下特点：

• 并发安全
• 直接支持一些原子复合操作
• 支持高并发、读操作完全并行、写操作支持一定程度的并行
• 与同步容器Collections.synchronizedMap相比，迭代不用加锁，不会抛出ConcurrentModificationException
• 弱一致性

我们分别来看下。

并发安全

我们知道，HashMap不是并发安全的，在并发更新的情况下，HashMap的链表结构可能形成环，出现死循环，占满CPU，我们看个例子：

public static void unsafeConcurrentUpdate() {
    final Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        Thread t = new Thread() {
            Random rnd = new Random();

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    map.put(rnd.nextInt(), 1);
                }
            }
        };
        t.start();
    }
}    

运行上面的代码，在我的机器上，每次都会出现死循环，占满CPU。

为什么会出现死循环呢？死循环出现在多个线程同时扩容哈希表的时候，不是同时更新一个链表的时候，那种情况可能会出现更新丢失，但不会死循环，具体过程比较复杂，我们就不解释了，感兴趣的读者可以参考这篇文章，http://coolshell.cn/articles/9606.html。

使用Collections.synchronizedMap方法可以生成一个同步容器，避免该问题，替换第一行代码即可：

final Map<Integer, Integer> map = Collections.synchronizedMap(new HashMap<Integer, Integer>());

在Java中，HashMap还有一个同步版本Hashtable，它与使用synchronizedMap生成的Map基本是一样的，也是在每个方法调用上加了synchronized，我们就不赘述了。

同步容器有几个问题：

• 每个方法都需要同步，支持的并发度比较低
• 对于迭代和复合操作，需要调用方加锁，使用比较麻烦，且容易忘记

ConcurrentHashMap没有这些问题，它同样实现了Map接口，也是基于哈希表实现的，上面的代码替换第一行即可：

final Map<Integer, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

原子复合操作

除了Map接口，ConcurrentHashMap还实现了一个接口ConcurrentMap，接口定义了一些条件更新操作，具体定义为：

public interface ConcurrentMap<K, V> extends Map<K, V> {
    //条件更新，如果Map中没有key，设置key为value，返回原来key对应的值，如果没有，返回null
    V putIfAbsent(K key, V value);
    //条件删除，如果Map中有key，且对应的值为value，则删除，如果删除了，返回true，否则false
    boolean remove(Object key, Object value);
    //条件替换，如果Map中有key，且对应的值为oldValue，则替换为newValue，如果替换了，返回ture，否则false
    boolean replace(K key, V oldValue, V newValue);
    //条件替换，如果Map中有key，则替换值为value，返回原来key对应的值，如果原来没有，返回null
    V replace(K key, V value);
}

如果使用同步容器，调用方必须加锁，而ConcurrentMap将它们实现为了原子操作。实际上，使用ConcurrentMap，调用方也没有办法进行加锁，它没有暴露锁接口，也不使用synchronized。

高并发

ConcurrentHashMap是为高并发设计的，它是怎么做的呢？具体实现比较复杂，我们简要介绍其思路，主要有两点：

• 分段锁
• 读不需要锁

同步容器使用synchronized，所有方法，竞争同一个锁，而ConcurrentHashMap采用分段锁技术，将数据分为多个段，而每个段有一个独立的锁，每一个段相当于一个独立的哈希表，分段的依据也是哈希值，无论是保存键值对还是根据键查找，都先根据键的哈希值映射到段，再在段对应的哈希表上进行操作。

采用分段锁，可以大大提高并发度，多个段之间可以并行读写。默认情况下，段是16个，不过，这个数字可以通过构造方法进行设置，如下所示：

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel)

concurrencyLevel表示估计的并行更新的线程个数，ConcurrentHashMap会将该数转换为2的整数次幂，比如14转换为16，25转换为32。

在对每个段的数据进行读写时，ConcurrentHashMap也不是简单的使用锁进行同步，内部使用了CAS、对一些写采用原子方式，实现比较复杂，我们就不介绍了，实现的效果是，对于写操作，需要获取锁，不能并行，但是读操作可以，多个读可以并行，写的同时也可以读，这使得ConcurrentHashMap的并行度远远大于同步容器。

迭代

我们在66节介绍过，使用同步容器，在迭代中需要加锁，否则可能会抛出ConcurrentModificationException。ConcurrentHashMap没有这个问题，在迭代器创建后，在迭代过程中，如果另一个线程对容器进行了修改，迭代会继续，不会抛出异常。

问题是，迭代会反映别的线程的修改？还是像上节介绍的CopyOnWriteArrayList一样，反映的是创建时的副本？答案是，都不是！我们看个例子：

public class ConcurrentHashMapIteratorDemo {
    public static void test() {
        final ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put("a", "abstract");
        map.put("b", "basic");

        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    System.out.println(entry.getKey() + "," + entry.getValue());
                }
            }
        };
        t1.start();
        // 确保线程t1启动
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        map.put("c", "call");
    }

    public static void main(String[] args) {
        test();
    }
}

t1启动后，创建迭代器，但在迭代输出每个元素前，先睡眠1秒钟，主线程启动t1后，先睡眠一下，确保t1先运行，然后给map增加了一个元素，程序输出为：

a,abstract
b,basic
c,call

说明，迭代器反映了最新的更新，但我们将添加语句更改为：

map.put("g", "call");

你会发现，程序输出为：

a,abstract
b,basic

这说明，迭代器没有反映最新的更新，这是怎么回事呢？我们需要理解ConcurrentHashMap的弱一致性。

弱一致性

ConcurrentHashMap的迭代器创建后，就会按照哈希表结构遍历每个元素，但在遍历过程中，内部元素可能会发生变化，如果变化发生在已遍历过的部分，迭代器就不会反映出来，而如果变化发生在未遍历过的部分，迭代器就会发现并反映出来，这就是弱一致性。

类似的情况还会出现在ConcurrentHashMap的另一个方法：

//批量添加m中的键值对到当前Map
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) 

该方法并非原子操作，而是调用put方法逐个元素进行添加的，在该方法没有结束的时候，部分修改效果就会体现出来。

小结

本节介绍了ConcurrentHashMap，它是并发版的HashMap，通过分段锁和其他技术实现了高并发，支持原子条件更新操作，不会抛出ConcurrentModificationException，实现了弱一致性。

Java中没有并发版的HashSet，但可以通过Collections.newSetFromMap方法基于ConcurrentHashMap构建一个。

我们知道HashMap/HashSet基于哈希，不能对元素排序，对应的可排序的容器类是TreeMap/TreeSet，并发包中可排序的对应版本不是基于树，而是基于Skip List（跳跃表）的，类分别是ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet，它们到底是什么呢？

(与其他章节一样，本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic)

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