ConcurrentHashMap源码详解

本文已收录于专栏 《Java》

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概念说明

  ConcurrentHashMap是Java中的线程安全的哈希表实现，它允许多个线程同时读取和写入数据，并且支持高并发访问。下面是ConcurrentHashMap、HashMap和HashTable的区别的二维表：

数据结构

  ConcurrentHashMap和HashMap的数据结构是一样，由数组+链表+红黑树组成的。当向数组中出入的元素的hashcode都一样的情况下会形成链表结果，由于链表的时间复杂度是O(n),当链表过长的时候就会导致查询数据比较慢。所以当数组的长度为8的时候，链表结果就会转换成红黑树的结构，红黑树的时间复杂度是O(nlong)来提高查询数据的效率。以下是Map中涉及到的参数说明：

// 数组容量
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认长度
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;// 链表树化条件-是根据线程竞争情况和红黑树的操作成本进行设计的。
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 取消树化条件-为了避免过度的树化，防止内存占用过高。
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;              //链表结构中，每个节点只需要存储指向下一个节点的指针，而不需要存储节点的值。因此，链表只需要存储节点的引用，占用较少的内存空间。树结构中每个节点需要存储节点的值以及指向子节点的指针。

线程安全

  通过使用HashMap和ConcurrentHashMap来对比一下，当在高并发的情况下是否会发生线程安全的问题

HashMap示例

public class HashMapUnsafeTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//演示HashMapMap<String, String> map = new HashMap<>();for (int i = 0; i < 30; i++) {String key = String.valueOf(i);new Thread(() -> {//向集合添加内容map.put(key, UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));//从集合中获取内容System.out.println(map);}, "").start();}}
}

运行结果

ConcurrentHashMap示例

public class ConcurrentHashMapSafe {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//演示ConcurrentHashMapMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();for (int i = 0; i < 30; i++) {String key = String.valueOf(i);new Thread(() -> {//向集合添加内容map.put(key, UUID.randomUUID().toString().substring(0, 8));//从集合中获取内容System.out.println(map);}, "").start();}}
}

运行结果

涉及技术

Synchronized

概念

  synchronized 关键字，代表这个方法加锁,相当于不管哪一个线程（例如线程A），运行到这个方法时,都要检查有没有其它线程B（或者C、 D等）正在用这个方法(或者该类的其他同步方法)，有的话要等正在使用synchronized方法的线程B（或者C 、D）运行完这个方法后再运行此线程A,没有的话,锁定调用者,然后直接运行。即synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性，synchronized 翻译为中文的意思是同步，也称之为”同步锁“。它包括两种用法：synchronized 方法和 synchronized 块。

特性

   「可见性 」：是指一个线程对共享变量进行修改，另一个线程立即得到修改后的新值。
   「原子性 」：在一次或多次操作中，要么所有的操作都执行并且不会受其他因素干扰而中断，要么所有的操作都不执行。
   「有序性 」：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序。

  在使用多线程进行并发编程的时候，如果有多个线程来操作共享数据，很有可能共享数据的值会出现错乱，我们称之为线程安全问题。导致出现问题的原因有：可见性问题；原子性问题；有序性问题。这时候我们就可以通过使用synchronized 关键字来解决出现的问题。

CAS(Compare And Swap)

概念

在CAS中，有这样三个值：
  V：要更新的变量(var)
  E：预期值(expected)
  N：新值(new)
比较并交换的过程如下：
  判断V是否等于E，如果等于，将V的值设置为N；如果不等，说明已经有其它线程更新了V，则当前线程放弃更新，什么都不做。

原理

  unsafe类——以下是类中涉及到的三个方法用来实现CAS效果的，这三个方法都是由native进行修饰的。具体的实现是由C++写的。

  三个方法传入的参数都是一样的，只不过根据传入的类型不同选择不同的方法，第一个参数是当前这个对象，第二个参数线程之间共享的变量，第三个参数是预期值，第四个参数想要修改的值。

代码演示

没有使用CAS的代码

/*** @BelongsProject: demo* @BelongsPackage: com.example.threadpool.CAS* @Author: Wuzilong* @Description: 没有使用CAS的实例* @CreateTime: 2023-07-29 09:44* @Version: 1.0*/public class NoCASDemo {private static int counter = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//线程一Thread thread1= new Thread(() -> {for (int i=0; i<10000;i++){counter++;}});//线程二Thread thread2= new Thread(() -> {for (int i=0; i<10000;i++){counter++;}});//执行线程thread1.start();thread2.start();//等待执行完线程1和2thread1.join();thread2.join();System.out.println("查看counter的总数"+counter);}}

运行结果

  多次运行程序会发现counter的总数是不一样的，说明有的线程操作的是同一个数值，导致两次i++的结果是一样的。

使用CAS的代码

/*** @BelongsProject: demo* @BelongsPackage: com.example.threadpool.CAS* @Author: Wuzilong* @Description: 使用CAS的实例* @CreateTime: 2023-07-29 09:36* @Version: 1.0*/public class CASDemo {private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//线程一Thread thread1= new Thread(() -> {for (int i=0; i<10000;i++){increment();}});//线程二Thread thread2= new Thread(() -> {for (int i=0; i<10000;i++){increment();}});//执行线程thread1.start();thread2.start();//等待执行完线程1和2thread1.join();thread2.join();System.out.println("查看counter的总数"+counter.get());}public static void increment() {int currentValue;int newValue;do {//获取counter对象的value值currentValue = counter.get();//将counter对象的value值加1newValue = currentValue + 1;} while (!counter.compareAndSet(currentValue, newValue));}}

运行结果

  多次运行程序发现counter的总数都是20000，这就说明使用了CAS之后不会出现线程安全的问题，当共享变量与预期值不一致的时候就取消了当前线程的操作。

总结提升

  ConcurrentHashMap是一个线程安全的哈希表实现，它通过锁分段技术实现了高效的并发性能，支持高效的并发更新和弱一致性的迭代器。但需要注意的是，ConcurrentHashMap不支持存储null键和null值。在多线程环境下，使用ConcurrentHashMap可以提高并发性能，并且无需额外的同步措施。

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