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ConcurrentHashMap 并发HashMap

2022-01-28 09:33:38 阅读：167 来源： 互联网

标签：Map ConcurrentHashMap HashMap 迭代并发 key

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Concurre ntModificationException；

❑ 弱一致性。

并发安全

HashMap不是并发安全的，在并发更新的情况下，HashMap可能出现死循环，占满CPU

public static void unsafeConcurrentUpdate() {
    final Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        Thread t = new Thread() {
            Random rnd = new Random();

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    map.put(rnd.nextInt(), 1);
                }
            }
        };
        t.start();
    }
}

使用Collections.synchronizedMap方法可以生成一个同步容器，以避免产生死循环，替换第一行代码即可：

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

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，Java 7中的具体定义为：

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，
    //否则返回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);
}

Java 8增加了几个默认方法，包括getOrDefault、forEach、computeIfAbsent、merge等。如果使用同步容器，调用方必须加锁，而ConcurrentHashMap将它们实现为了原子操作。实际上，使用ConcurrentHashMap，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。

高并发的基本机制

ConcurrentHashMap是为高并发设计的，它是怎么做的呢？具体实现比较复杂，简要介绍其思路，在Java 7中，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也不是简单地使用锁进行同步，内部使用了CAS。对一些写采用原子方式的方法，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的并行度远高于同步容器。

Java 8对ConcurrentHashMap的实现进一步做了优化。首先，与HashMap的改进类似，在哈希冲突比较严重的时候，会将单向链表转化为平衡的排序二叉树，提高查找的效率；其次，锁的粒度进一步细化了，以提高并行性，哈希表数组中的每个位置（指向一个单链表或树）都有一个单独的锁。

迭代安全

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，迭代会反映其他线程的修改吗？还是像CopyOnWriteArrayList一样，反映的是创建时的副本？答案是，都不是！

到底是怎么回事呢？这需要我们理解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。

其他

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。

参考: Java编程的逻辑 17.2 ConcurrentHashMap

标签：Map,ConcurrentHashMap,HashMap,迭代,并发,key
来源： https://www.cnblogs.com/ooo0/p/15851897.html

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