为啥ConcurrentHashMap读操作不需要加锁

  view

    我们知道，ConcurrentHashMap(1.8)这个并发集合框架是线程安全的，当你看到源码的get操作时，会发现get操作全程是没有加任何锁的，这也是这篇所讨论的问题–为什么它不需要加锁呢？

ConcurrentHashMap的简介

    在JDK1.7中采用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式进行实现的，而1.8中放弃了Segment臃肿的设计，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现。

  • JDK1.8的实现降低锁的粒度，JDK1.7版本锁的粒度是基于Segmemt的，包含多个HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry(首节点)。
  • JDK1.8版本的数据结构变得更加简单，使得操作也更加清晰流畅，因为已经使用synchronized来进行同步，所以不需要分段锁的概念，也就不需要Segment这种数据结构了，由于粒度的降低，实现的复杂度也增加了。
  • JDK1.8使用红黑树来优化链表，基于长度很长的链表的遍历是一个很漫长的过程，而红黑树的遍历效率是很快的，代替一定阈值的链表，这样形成一个最佳拍档。

    get操作源码

        首先计算hash值，定位到该table索引位置，如果是首节点符合就返回。
        如果遇到扩容的时候，会调用标志正在扩容节点ForwardingNode的find方法，查找该节点，匹配就返回。
        以上都不符合的话，就往下遍历节点，匹配就返回，否则最后就返回null。
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    23
    24
    25
    26
    27
    28
    29
    30
    31
    32
    // 会发现源码中没有一处加了锁
    public V get(Object key) {
        Node<K, V>[] tab;
        Node<K, V> e, p;
        int n, eh;
        K ek;
        // 计算hash
        int h = spread(key.hashCode());
        if((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
            // 读取首节点的Node元素
            if((eh = e.hash) == h) {
                // 如果该节点就是首节点就返回
                if((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))) {
                    return e.val;
                }
            }
            // hash值为负值表示正在扩容，这个时候查的是ForwardingNode的find方法来定位到nextTable
    		// eh=-1,说明该节点是一个ForwardingNode，正在迁移，此时调用ForwardingNode的find方法去nextTable里找
            // eh=-2,说明该节点是一个TreeBin，此时调用TreeBin的find方法遍历红黑树，由于红黑树有可能正在旋转变色，所以find里会有读写锁。
            // eh>=0,说明该节点下挂的是一个链表，直接遍历该链表即可.
            else if(eh < 0) {
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            }
            while((e = e.next) != null) {
                // 既不是首节点也不是ForwordingNode，那就往下遍历
                if(e.hash == h && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))) {
                    return e.val;
                }
            }
        }
        return null;
    }

    get没有加锁的话，ConcurrentHashMap是如何保证读到数据不是脏数据呢？

volatile登场

    对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性、有序性。但不保证原子性。
    普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

  • volatile关键字对于基本类型的修改可以在随后对多个线程的读保持一致，但是对于引用类型如数组，实体bean，仅仅保证引用的可见性，但不保证引用内容的可见性。
  • 禁止进行指令重排序。
        背景：为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通讯，而是先将系统内存的数据读到内部缓存(L1,L2或其他)后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。
  • 如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。
  • 在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，当某个CPU在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他CPU告知该变量的缓存行是无效的，因此其他CPU在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载数据。
        总结下来：
            第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存
            第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量的缓存行无效(反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效)
            第三：由于线程1的工作内存中缓存变量的缓存行无效，所以线程1再次读取变量的值会去主存读取。

    是加在数组上的volatile吗？

    1
    transient volatile Node<K, V>[] table;

    我们知道volatile可以修饰数组的，只要意思和它表面上看起来的样子不同。举个例子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是数组元素的值是volatile的。

用volatile修饰Node

    get操作可以无锁是由于Node的元素val和指针next是由volatile修饰的，在多线程环境下线程A修改结点的val或者新增结点的时候是对线程B可见的。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
static class Node<K, V> implements Map.Entry<K, V> {
    final int hash;
    final K key;
    // 可以看到这些都用了volatile修饰
    volatile V val;
    volatile Node<K, V> next;
    Node(int hash, K key, V val, Node<K, V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.val = val;
        this.next = next;
    }
    public final K getKey() { return key; }
    public final V getVal() { return val; }
    public final int hashCode() { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }
    public final String toString() { return key + "=" + val; }
    public final V setValue(V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public final boolean equals(Object o) {
        Object k, v, u;
        Map.Entry<?, ?> e;
        return ((o instanceof Map.Entry) &&
                (k = (e = (Map.Entry<?, ?>) o).getKey()) != null &&
                (v = e.getValue()) != null &&
                (k == key || k.equals(key)) &&
                (v == (u = val) || v.equals(u)));
    }
    /**
     * Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses.
     */
    Node<K, V> find(int h, Object k) {
        Node<K.V> e = this;
        if(k != null) {
            do {
                K ek;
                if(e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek)))) {
                    return e;
                }
            } while((e = e.next) != null);
        }
        rturn null;
    }
}

    既然volatile修饰数组对get操作没有效果那加在数组上的volatile的目的是什么呢？
    其实就是为了使得Node数组在扩容的时候对其他线程具有可见性而加的volatile。

总结

  • 在1.8中ConcurrentHashMap的get操作全程不需要加锁，这也是它比其他并发集合比如HashTable、用Collections.synchronizedMap()包装的HashMap，安全效率高的原因之一。
  • get操作全程不需要加锁是因为Node的成员val是用volatile修饰的和数组用volatile修饰没有关系。
  • 数组用volatile修饰主要是保证在数组扩容的时候保证可见性。