容器ConcurrentHashMap原理(学习)

一、概述

HashMap 是非线程安全的，在不考虑性能问题的时候，我们的解决方案有 Hashtable 或者Collections.synchronizedMap(hashMap)，这两种方式基本都是对整个 hash 表结构做锁定操作的，这样在锁表的期间，别的线程就需要等待了，无疑性能不高。

二、数据结构

ConcurrentHashMap 数据结构为一个 Segment 数组，Segment 的数据结构为 HashEntry 的数组，而 HashEntry 存的是我们的键值对，可以构成链表。

ConcurrentHashMap 的结构中包含的 Segment 的数组，在默认的并发级别会创建包含 16 个 Segment 对象的数组。每个 Segment 又包含若干个散列表的桶，每个桶是由 HashEntry 链接起来的一个链表。如果 key 能够均匀散列，每个 Segment 大约守护整个散列表桶总数的 1/16。

三、segment

Segment 的类定义为static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable。其继承于 ReentrantLock 类，从而使得 Segment 对象可以充当锁的角色。Segment 中包含HashEntry 的数组，其可以守护其包含的若干个桶（HashEntry的数组）。

四、并发put

在 ConcurrentHashMap 中，当执行 put 方法的时候，会需要加锁来完成。

需要注意的是：加锁操作是针对的 hash 值对应的某个 Segment，而不是整个 ConcurrentHashMap。因为 put 操作只是在这个 Segment 中完成，所以并不需要对整个 ConcurrentHashMap 加锁。所以，此时，其他的线程也可以对另外的 Segment 进行 put 操作，因为虽然该 Segment 被锁住了，但其他的 Segment 并没有加锁。同时，读线程并不会因为本线程的加锁而阻塞。

ConcurrentHashMap 可以支持 16 个线程执行并发写操作（默认并发级别设置为 16），及任意数量线程的读操作。

五、读操作

无锁，对table进行定义为volatile，满足可见性

六、总结

散列表一般的应用场景是：除了少数插入操作和删除操作外，绝大多数都是读取操作，而且读操作在大多数时候都是成功的。

基于这个前提，ConcurrentHashMap 针对读操作做了大量的优化。通过 HashEntry 对象的不变性和用 volatile 型变量协调线程间的内存可见性，使得 大多数时候，读操作不需要加锁就可以正确获得值。

ConcurrentHashMap 是一个并发散列映射表的实现，它允许完全并发的读取，并且支持给定数量的并发更新。相比于 HashTable 和用同步包装器包装的 HashMap（Collections.synchronizedMap(new HashMap())），ConcurrentHashMap 拥有更高的并发性。在 HashTable 和由同步包装器包装的 HashMap 中，使用一个全局的锁来同步不同线程间的并发访问。同一时间点，只能有一个线程持有锁，也就是说在同一时间点，只能有一个线程能访问容器。这虽然保证多线程间的安全并发访问，但同时也导致对容器的访问变成串行化的了。

ConcurrentHashMap 的高并发性主要来自于三个方面：

• 用分离锁实现多个线程间的更深层次的共享访问。
• 用 HashEntery 对象的不变性来降低执行读操作的线程在遍历链表期间对加锁的需求。
• 通过对同一个 Volatile 变量的写 / 读访问，协调不同线程间读 / 写操作的内存可见性。

使用分离锁，减小了请求 同一个锁的频率。

通过 HashEntery 对象的不变性及对同一个 Volatile 变量的读 / 写来协调内存可见性，使得 读操作大多数时候不需要加锁就能成功获取到需要的值。由于散列映射表在实际应用中大多数操作都是成功的 读操作，所以 2 和 3 既可以减少请求同一个锁的频率，也可以有效减少持有锁的时间。通过减小请求同一个锁的频率和尽量减少持有锁的时间 ，使得 ConcurrentHashMap 的并发性相对于 HashTable 和用同步包装器包装的 HashMap有了质的提高。