多线程--11--ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap与HashMap等的区别

HashMap=线程不安全

我们知道HashMap是线程不安全的,在多线程环境下,使用Hashmap进行put操作会引起死循环,导致CPU利用率接近100%,所以在并发情况下不能使用HashMap。

ConcurrentHashMap

主要就是为了应对hashmap在并发环境下不安全而诞生的,ConcurrentHashMap的设计与实现非常精巧,大量的利用了volatile,final,CAS等lock-free技术来减少锁竞争对于性能的影响。

  • 我们都知道Map一般都是数组+链表结构(JDK1.8该为数组+红黑树)。

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ConcurrentHashMap避免了对全局加锁改成了局部加锁操作,这样就极大地提高了并发环境下的操作速度,由于ConcurrentHashMap在JDK1.7和1.8中的实现非常不同,接下来我们谈谈JDK在1.7和1.8中的区别。

JDK1.7版本的CurrentHashMap的实现原理

  • 在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了数组+Segment+分段锁的方式实现。

Segment(分段锁)-减少锁的粒度

ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment,它即类似于HashMap的结构,即内部拥有一个Entry数组,数组中的每个元素又是一个链表,同时又是一个ReentrantLock(Segment继承了ReentrantLock)。

内部结构

ConcurrentHashMap使用分段锁技术,将数据分成一段一段的存储,然后给每一段数据配一把锁,当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候,其他段的数据也能被其他线程访问,能够实现真正的并发访问。如下图是ConcurrentHashMap的内部结构图:
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从上面的结构我们可以了解到,ConcurrentHashMap定位一个元素的过程需要进行两次Hash操作。

  • 第一次Hash定位到Segment,第二次Hash定位到元素所在的链表的头部。

该结构的优劣势

  • 坏处
    是这一种结构的带来的副作用是Hash的过程要比普通的HashMap要长。

  • 好处
    是写操作的时候可以只对元素所在的Segment进行加锁即可,不会影响到其他的Segment,这样,在最理想的情况下,ConcurrentHashMap可以最高同时支持Segment数量大小的写操作(刚好这些写操作都非常平均地分布在所有的Segment上)。

所以,通过这一种结构,ConcurrentHashMap的并发能力可以大大的提高。

JDK1.8版本的CurrentHashMap

JDK8中ConcurrentHashMap参考了JDK8 HashMap的实现,采用了数组+链表+红黑树的实现方式来设计,采用CAS+Synchronized保证线程安全。内部大量采用CAS操作,这里我简要介绍下CAS。

原理:

  1. JDK1.8里,用了两种锁,如果数据要写入到数组上,基于CAS的方式尝试写入

  2. 如果数据要挂到链表或者红黑树上时,采用synchronized锁住数组上的Node。

  • Node:保存key,value及key的hash值的数据结构。其中value和next都用volatile修饰,保证并发的可见性。

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Java8 ConcurrentHashMap结构基本上和Java8的HashMap一样,不过保证线程安全性。

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总结

其实可以看出JDK1.8版本的ConcurrentHashMap的数据结构已经接近HashMap,相对而言,ConcurrentHashMap只是增加了同步的操作来控制并发,从JDK1.7版本的ReentrantLock+Segment+HashEntry,到JDK1.8版本中synchronized+CAS+HashEntry+红黑树

  1. 数据结构:取消了Segment分段锁的数据结构,取而代之的是数组+链表+红黑树的结构。
  2. 保证线程安全机制:JDK1.7采用segment的分段锁机制实现线程安全,其中segment继承自ReentrantLock。JDK1.8采用CAS+Synchronized保证线程安全。
  3. 锁的粒度:原来是对需要进行数据操作的Segment加锁,现调整为对每个数组元素加锁(Node)。
  4. 链表转化为红黑树:定位结点的hash算法简化会带来弊端,Hash冲突加剧,因此在链表节点数量大于8时,会将链表转化为红黑树进行存储。
  5. 查询时间复杂度:从原来的遍历链表O(n),变成遍历红黑树O(logN)。

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