ConcurrentHashMap原理及使用詳解
ConcurrentHashMap是Java中的一種線程安全的哈希表實現(xiàn),它提供了與Hashtable和HashMap類似的API,但通過使用分段鎖技術(shù)(Segment),使得多個線程可以同時讀取和寫入不同的數(shù)據(jù)塊,從而提高了并發(fā)性能。同時,ConcurrentHashMap也支持弱一致性,即在某些情況下,讀取操作可能會返回稍早的值,但這對于很多應用場景來說是可以接受的。該類還提供了一些有用的方法,如putIfAbsent()、replace()、compute()等,方便開發(fā)者進行基于哈希表的數(shù)據(jù)處理。總之,ConcurrentHashMap是一個高效且可靠的多線程環(huán)境下的哈希表實現(xiàn),非常適合在并發(fā)場景中使用。
一、ConcurrentHashMap 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
ConcurrentHashMap 是 Java 中的一種線程安全的哈希表實現(xiàn),其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由多個 Node 節(jié)點組成的數(shù)組和鏈表或紅黑樹。
在 ConcurrentHashMap 中,Node 節(jié)點是一個鍵值對,其中鍵為 K 類型,值為 V 類型。每個節(jié)點包含了一個哈希值、一個鍵和一個值,以及指向下一個節(jié)點的引用。具體而言,ConcurrentHashMap 的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:
ConcurrentHashMap 中的每個 Segment 是一個獨立的哈希表,而每個 Segment 又由多個 Bucket 組成,每個 Bucket 再維護一個鏈表或紅黑樹(紅黑樹出現(xiàn)的條件是 Bucket 中的元素數(shù)量大于等于 8)。
ConcurrentHashMap 的 put 操作可以分成兩個步驟,首先根據(jù) Key 的哈希值找到對應的 Segment 和 Bucket,然后在 Bucket 中插入新的 Node 節(jié)點。具體來說,它的處理流程如下:
- 對 Key 進行哈希操作,得到其哈希值。
- 根據(jù)哈希值和 Segment 數(shù)組的長度,計算出 Key 應該被放在哪個 Segment 中。
- 在 Segment 中獲取 Key 應該放在哪個 Bucket 中。
- 如果該 Bucket 是空的,則直接在它的頭部插入新的 Node 節(jié)點;否則,將新的 Node 節(jié)點插入到鏈表的尾部或紅黑樹上,并根據(jù)情況進行擴容或紅黑樹轉(zhuǎn)換為鏈表。
- 如果插入新的節(jié)點后 Bucket 中的元素數(shù)量超過了一個閾值,則需要進行擴容操作。
- 如果插入新的節(jié)點后 Bucket 中的元素數(shù)量大于等于 8 個并且 Bucket 不是紅黑樹,則需要將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹。
- 如果舊的紅黑樹中的節(jié)點數(shù)量少于 6 個,則需要將紅黑樹轉(zhuǎn)換為鏈表。
ConcurrentHashMap 的 get 操作也很簡單,直接根據(jù) Key 的哈希值找到對應的 Segment 和 Bucket,然后在 Bucket 中查找對應的 Node 節(jié)點即可。
二、ConcurrentHashMap 的分段鎖機制
ConcurrentHashMap 將整個哈希表分為多個 Segment,每個 Segment 又是一個獨立的哈希表,可以單獨進行加鎖和擴容操作。在操作數(shù)據(jù)時,只需要獲取對應 Segment 的鎖,不需要鎖住整個哈希表,這樣可以避免多個線程之間的等待和競爭,同時提高吞吐量和并發(fā)性能。
簡單實現(xiàn)示例:
class ConcurrentHashMap<K, V> { final Segment[] segments; class Segment extends ReentrantLock implements Serializable{ // 每個 Segment 自己獨立的哈希表 private final Map<K,V> map = new HashMap<>(); // Segment 內(nèi)部加鎖機制,確保線程安全 public synchronized V put(K key, V value) { return map.put(key, value); } } // 獲取 key 所屬的 Segment 的索引 private int getSegmentIndex(K key) { int hash = hash(key.hashCode()); // 對 hashcode() 進行哈希 int segmentMask = segments.length - 1; // mask 值 return hash & segmentMask; // 按位與,定位具體的 Segment } public V put(K key, V value) { Segment s = segments[getSegmentIndex(key)]; s.lock(); // 獲取 s 對應的 Segment 的鎖 try { return s.put(key, value); // 在 s 上進行 put 操作 } finally { s.unlock(); // 釋放 s 對應的 Segment 的鎖 } } }
在實際的 ConcurrentHashMap 中,每個 Segment 會使用一個獨立的哈希表來維護其內(nèi)部的數(shù)據(jù),同時也具備自己的鎖機制,從而實現(xiàn)對其內(nèi)部狀態(tài)的并發(fā)安全訪問。這樣,不同線程訪問不同的 Segment 時可以通過分段鎖機制來實現(xiàn)并發(fā)訪問,從而提高了 ConcurrentHashMap 的并發(fā)性能和吞吐量。
三、ConcurrentHashMap 的實現(xiàn)過程
在 JDK 1.8 以前,ConcurrentHashMap 的實現(xiàn)采用了與 Hashtable 類似的分段鎖機制,每個 Segment 都對應一個 ReentrantLock 鎖,用于并發(fā)訪問。
而在 JDK 1.8 中,ConcurrentHashMap 引入了 CAS(Compare and Swap)技術(shù),用于實現(xiàn)一個更加高效的并發(fā)控制機制。CAS 是一種無鎖機制,可以避免線程爭搶鎖的情況。
我們以 put 操作為例,來看一下 ConcurrentHashMap 的實現(xiàn)過程:
- 首先計算 key 的哈希值;
- 根據(jù)哈希值找到對應的 Segment;
- 獲取 Segment 對應的鎖;
- 如果還沒有元素,就直接插入到 Segment 中;
- 如果已經(jīng)存在元素,就循環(huán)比較 key 是否相等;
- 如果 key 已經(jīng)存在,就根據(jù)要求更新 value;
- 如果 key 不存在,就插入新的元素(鏈表或者紅黑樹)。
上述操作中,步驟 2 到 3 相當于加了一個悲觀鎖,在整個哈希表上加鎖,如果只有一個 Segment,效果與 Hashtable 類似;如果存在多個 Segment,效果就相當于使用了分段鎖機制,提高了并發(fā)訪問性能。
四、使用場景案例
1. 高并發(fā)的計數(shù)器
ConcurrentHashMap 可以用來實現(xiàn)高并發(fā)的計數(shù)器,例如記錄網(wǎng)站訪問量、接口調(diào)用次數(shù)等。具體地,我們可以使用 ConcurrentHashMap 的 compute 方法來實現(xiàn)計數(shù)操作,如下所示:
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; public class Counter { private final ConcurrentHashMap<String, Integer> map; public Counter() { this.map = new ConcurrentHashMap<>(); } public void increase(String key) { map.compute(key, (k, v) -> (v == null) ? 1 : v + 1); } public int get(String key) { return map.getOrDefault(key, 0); } }
在上述代碼中,我們創(chuàng)建了一個 Counter 類,使用 ConcurrentHashMap 存儲計數(shù)器數(shù)據(jù)。具體地,我們使用 compute 方法實現(xiàn)對計數(shù)器的增加操作,如果 key 不存在則新建一個值為 1 的計數(shù)器;否則將其遞增 1。通過 get 方法可以獲取指定 key 對應的計數(shù)器值。
2. 線程池任務管理
ConcurrentHashMap 還可以用來實現(xiàn)線程池任務的管理,例如記錄每個任務的執(zhí)行狀態(tài)、結(jié)果等信息。具體地,我們可以將一個 ConcurrentHashMap 實例作為任務管理器,在任務執(zhí)行前將任務信息添加到該管理器中,然后再在任務完成后更新對應的信息,如下所示:
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.TimeUnit; public class TaskManager { private final ConcurrentHashMap<String, TaskInfo> tasks; public TaskManager() { this.tasks = new ConcurrentHashMap<>(); } public void addTask(String taskId, Runnable task) { // 添加任務信息 tasks.put(taskId, new TaskInfo()); // 提交任務到線程池 ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool(); executor.submit(() -> { try { // 執(zhí)行任務 task.run(); // 更新任務狀態(tài)和結(jié)果 TaskInfo info = tasks.get(taskId); info.setStatus(TaskStatus.COMPLETED); info.setResult("Task completed successfully!"); } catch (Exception ex) { // 更新任務狀態(tài)和結(jié)果 TaskInfo info = tasks.get(taskId); info.setStatus(TaskStatus.FAILED); info.setResult(ex.getMessage()); } }); // 關閉線程池 executor.shutdown(); } public TaskInfo getTaskInfo(String taskId) { return tasks.getOrDefault(taskId, new TaskInfo()); } } enum TaskStatus { NEW, RUNNING, COMPLETED, FAILED; } class TaskInfo { private TaskStatus status; private String result; public TaskInfo() { this.status = TaskStatus.NEW; this.result = ""; } public TaskStatus getStatus() { return status; } public void setStatus(TaskStatus status) { this.status = status; } public String getResult() { return result; } public void setResult(String result) { this.result = result; } }
在上述代碼中,我們創(chuàng)建了一個 TaskManager 類,使用 ConcurrentHashMap 存儲任務信息。具體地,我們定義了一個 TaskInfo 類來表示任務信息,其中包括任務狀態(tài)和結(jié)果兩個屬性。在添加任務時,我們新建一個 TaskInfo 實例并添加到 ConcurrentHashMap 中,然后在異步執(zhí)行任務的線程中更新其狀態(tài)和結(jié)果;同時我們使用 ExecutorService 來管理并發(fā)執(zhí)行的任務。通過 getTaskInfo 方法可以獲取指定 taskId 對應的任務信息。
3. 緩存管理器
ConcurrentHashMap 還可以用來實現(xiàn)緩存管理器,例如存儲經(jīng)常使用的業(yè)務數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置等信息,從而避免頻繁的數(shù)據(jù)庫查詢或網(wǎng)絡請求。具體地,我們可以使用 ConcurrentHashMap 存儲緩存數(shù)據(jù),并設定緩存過期時間,如下所示:
import java.util.Map; import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; public class CacheManager<K, V> { private final Map<K, CacheEntry<V>> cache; public CacheManager() { this.cache = new ConcurrentHashMap<>(); } public void put(K key, V value, long ttl) { // 添加緩存項,同時記錄當前時間戳和緩存生存時間 CacheEntry<V> entry = new CacheEntry<>(value, System.currentTimeMillis(), ttl); cache.put(key, entry); } public V get(K key) { // 獲取緩存項和其緩存生存時間 CacheEntry<V> entry = cache.get(key); // 檢查緩存項是否過期,如果過期則刪除緩存項并返回 null if (entry != null && !entry.isExpired()) { return entry.getValue(); } else { cache.remove(key); return null; } } static class CacheEntry<V> { private final V value; private final long timestamp; private final long ttl; public CacheEntry(V value, long timestamp, long ttl) { this.value = value; this.timestamp = timestamp; this.ttl = ttl; } public V getValue() { return value; } public boolean isExpired() { return System.currentTimeMillis() - timestamp > ttl; } } }
在上述代碼中,我們創(chuàng)建了一個 CacheManager 類,使用 ConcurrentHashMap 存儲緩存數(shù)據(jù)。具體地,我們定義了一個 CacheEntry 類來表示緩存項,其中包括值、時間戳和緩存生存時間三個屬性。在添加緩存項時,我們新建一個 CacheEntry 實例并添加到 ConcurrentHashMap 中,然后在獲取緩存項時檢查其是否過期;如果未過期則返回其值,否則刪除緩存項并返回 null。
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