引言

眾所周知 ConcurrentHashMap 是 HashMap 的多線程版本，HashMap 在并發(fā)操作時(shí)會(huì)有各種問題，比如死循環(huán)問題、數(shù)據(jù)覆蓋等問題。而這些問題，只要使用 ConcurrentHashMap 就可以完美解決了，那問題來了，ConcurrentHashMap 是如何保證線程安全的？它的底層又是如何實(shí)現(xiàn)的？

ConcurrentHashMap 線程安全實(shí)現(xiàn)簡述

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 時(shí)，使用的是分段鎖也就是 Segment 來實(shí)現(xiàn)線程安全的。

然而它在 JDK 1.8 之后，使用的是 CAS + synchronized 或 CAS + volatile 來實(shí)現(xiàn)線程安全的。

JDK 1.7 底層結(jié)構(gòu)

ConcurrentHashMap 在不同的 JDK 版本中實(shí)現(xiàn)是不同的，在 JDK 1.7 中它使用的是數(shù)組加鏈表的形式實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)組又分為：大數(shù)組 Segment 和小數(shù)組 HashEntry。 大數(shù)組 Segment 可以理解為 MySQL 中的數(shù)據(jù)庫，而每個(gè)數(shù)據(jù)庫（Segment）中又有很多張表 HashEntry，每個(gè) HashEntry 中又有多條數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是用鏈表連接的，如下圖所示：

JDK 1.7 線程安全實(shí)現(xiàn)

了解了 ConcurrentHashMap 的底層實(shí)現(xiàn)，再看它的線程安全實(shí)現(xiàn)就比較簡單了。

接下來，我們通過添加元素 put 方法，來看 JDK 1.7 中 ConcurrentHashMap 是如何保證線程安全的，具體實(shí)現(xiàn)源碼如下：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 在往該 Segment 寫入前，先確保獲取到鎖
    HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); 
    V oldValue;
    try {
        // Segment 內(nèi)部數(shù)組
        HashEntry<K,V>[] tab = table;
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
        for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
            if (e != null) {
                K k;
                // 更新已有值...
            }
            else {
                // 放置 HashEntry 到特定位置，如果超過閾值則進(jìn)行 rehash
                // 忽略其他代碼...
            }
        }
    } finally {
        // 釋放鎖
        unlock();
    }
    return oldValue;
}

從上述源碼我們可以看出，Segment 本身是基于 ReentrantLock 實(shí)現(xiàn)的加鎖和釋放鎖的操作，這樣就能保證多個(gè)線程同時(shí)訪問 ConcurrentHashMap 時(shí)，同一時(shí)間只有一個(gè)線程能操作相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，這樣就保證了 ConcurrentHashMap 的線程安全了。

也就是說 ConcurrentHashMap 的線程安全是建立在 Segment 加鎖的基礎(chǔ)上的，所以我們把它稱之為分段鎖或片段鎖，如下圖所示：

JDK 1.8 底層結(jié)構(gòu)

在 JDK 1.7 中，ConcurrentHashMap 雖然是線程安全的，但因?yàn)樗牡讓訉?shí)現(xiàn)是數(shù)組 + 鏈表的形式，所以在數(shù)據(jù)比較多的情況下訪問是很慢的，因?yàn)橐闅v整個(gè)鏈表，而 JDK 1.8 則使用了數(shù)組 + 鏈表/紅黑樹的方式優(yōu)化了 ConcurrentHashMap 的實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下：

鏈表升級(jí)為紅黑樹的規(guī)則：當(dāng)鏈表長度大于 8，并且數(shù)組的長度大于 64 時(shí)，鏈表就會(huì)升級(jí)為紅黑樹的結(jié)構(gòu)。

PS：ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 雖然保留了 Segment 的定義，但這僅僅是為了保證序列化時(shí)的兼容性，不再有任何結(jié)構(gòu)上的用處了。

JDK 1.8 線程安全實(shí)現(xiàn)

在 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是 CAS + volatile 或 synchronized 的方式來保證線程安全的，它的核心實(shí)現(xiàn)源碼如下：

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 節(jié)點(diǎn)為空
            // 利用 CAS 去進(jìn)行無鎖線程安全操作，如果 bin 是空的
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
                break; 
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else if (onlyIfAbsent
                 && fh == hash
                 && ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
                 && (fv = f.val) != null)
            return fv;
        else {
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {
                   // 細(xì)粒度的同步修改操作... 
                }
            }
            // 如果超過閾值，升級(jí)為紅黑樹
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

從上述源碼可以看出，在 JDK 1.8 中，添加元素時(shí)首先會(huì)判斷容器是否為空，如果為空則使用 volatile 加 CAS 來初始化。如果容器不為空則根據(jù)存儲(chǔ)的元素計(jì)算該位置是否為空，如果為空則利用 CAS 設(shè)置該節(jié)點(diǎn)；如果不為空則使用 synchronize 加鎖，遍歷桶中的數(shù)據(jù)，替換或新增節(jié)點(diǎn)到桶中，最后再判斷是否需要轉(zhuǎn)為紅黑樹，這樣就能保證并發(fā)訪問時(shí)的線程安全了。

我們把上述流程簡化一下，我們可以簡單的認(rèn)為在 JDK 1.8 中，ConcurrentHashMap 是在頭節(jié)點(diǎn)加鎖來保證線程安全的，鎖的粒度相比 Segment 來說更小了，發(fā)生沖突和加鎖的頻率降低了，并發(fā)操作的性能就提高了。而且 JDK 1.8 使用的是紅黑樹優(yōu)化了之前的固定鏈表，那么當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大的時(shí)候，查詢性能也得到了很大的提升，從之前的 O(n) 優(yōu)化到了 O(logn) 的時(shí)間復(fù)雜度，具體加鎖示意圖如下：

小結(jié)

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 時(shí)使用的是數(shù)據(jù)加鏈表的形式實(shí)現(xiàn)的，其中數(shù)組分為兩類：大數(shù)組 Segment 和小數(shù)組 HashEntry，而加鎖是通過給 Segment 添加 ReentrantLock 鎖來實(shí)現(xiàn)線程安全的。而 JDK 1.8 中 ConcurrentHashMap 使用的是數(shù)組+鏈表/紅黑樹的方式實(shí)現(xiàn)的，它是通過 CAS 或 synchronized 來實(shí)現(xiàn)線程安全的，并且它的鎖粒度更小，查詢性能也更高。

以上就是詳解ConcurrentHashMap如何保證線程安全及底層實(shí)現(xiàn)原理的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于ConcurrentHashMap線程安全的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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