java中ConcurrentHashMap的使用及在Java 8中的冲突方案

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java中ConcurrentHashMap的使用及在Java 8中的冲突方案

1、引言

ConcurrentHashMap(简称CHM)是在Java 1.5作为Hashtable的替代选择新引入的,是concurrent包的重要成员。在Java 1.5之前,如果想要实现一个可以在多线程和并发的程序中安全使用的Map,只能在HashTable和synchronized Map中选择,因为HashMap并不是线程安全的。但再引入了CHM之后,我们有了更好的选择。CHM不但是线程安全的,而且比HashTable和synchronizedMap的性能要好。相对于HashTable和synchronizedMap锁住了整个Map,CHM只锁住部分Map。CHM允许并发的读操作,同时通过同步锁在写操作时保持数据完整性。在这篇博客中我将介绍以下几点:

  • CHM在Java中如何实现的

  • 什么情况下应该使用CHM

  • 在Java中使用CHM的例子

  • CHM的一些重要特性

2、Java中ConcurrentHashMap的实现

CHM引入了分割,并提供了HashTable支持的所有的功能。在CHM中,支持多线程对Map做读操作,并且不需要任何的blocking。这得益于CHM将Map分割成了不同的部分,在执行更新操作时只锁住一部分。根据默认的并发级别(concurrency level),Map被分割成16个部分,并且由不同的锁控制。这意味着,同时最多可以有16个写线程操作Map。试想一下,由只能一个线程进入变成同时可由16个写线程同时进入(读线程几乎不受限制),性能的提升是显而易见的。但由于一些更新操作,如put(),remove(),putAll(),clear()只锁住操作的部分,所以在检索操作不能保证返回的是最新的结果。

另一个重要点是在迭代遍历CHM时,keySet返回的iterator是弱一致和fail-safe的,可能不会返回某些最近的改变,并且在遍历过程中,如果已经遍历的数组上的内容变化了,不会抛出ConcurrentModificationExceptoin的异常。

CHM默认的并发级别是16,但可以在创建CHM时通过构造函数改变。毫无疑问,并发级别代表着并发执行更新操作的数目,所以如果只有很少的线程会更新Map,那么建议设置一个低的并发级别。另外,CHM还使用了ReentrantLock来对segments加锁。

3、Java中ConcurrentHashMap putifAbsent方法的例子

很多时候我们希望在元素不存在时插入元素,我们一般会像下面那样写代码

synchronized(map){
  if (map.get(key) == null){
  return map.put(key, value);
  } else{
  return map.get(key);
  }
}

上面这段代码在HashMap和HashTable中是好用的,但在CHM中是有出错的风险的。这是因为CHM在put操作时并没有对整个Map加锁,所以一个线程正在put(k,v)的时候,另一个线程调用get(k)会得到null,这就会造成一个线程put的值会被另一个线程put的值所覆盖。当然,你可以将代码封装到synchronized代码块中,这样虽然线程安全了,但会使你的代码变成了单线程。CHM提供的putIfAbsent(key,value)方法原子性的实现了同样的功能,同时避免了上面的线程竞争的风险。

4、什么时候使用ConcurrentHashMap

CHM适用于读者数量超过写者时,当写者数量大于等于读者时,CHM的性能是低于Hashtable和synchronized Map的。这是因为当锁住了整个Map时,读操作要等待对同一部分执行写操作的线程结束。CHM适用于做cache,在程序启动时初始化,之后可以被多个请求线程访问。正如Javadoc说明的那样,CHM是HashTable一个很好的替代,但要记住,CHM的比HashTable的同步性稍弱。

5、使用小结

现在我们知道了什么是ConcurrentHashMap和什么时候该用ConcurrentHashMap,下面我们来复习一下CHM的一些关键点。

  • CHM允许并发的读和线程安全的更新操作

  • 在执行写操作时,CHM只锁住部分的Map

  • 并发的更新是通过内部根据并发级别将Map分割成小部分实现的

  • 高的并发级别会造成时间和空间的浪费,低的并发级别在写线程多时会引起线程间的竞争

  • CHM的所有操作都是线程安全

  • CHM返回的迭代器是弱一致性,fail-safe并且不会抛出ConcurrentModificationException异常

  • CHM不允许null的键值

  • 可以使用CHM代替HashTable,但要记住CHM不会锁住整个Map

以上就是Java中CHM的实现和使用场景,下面做进一步深入探究。

6、冲突解决方案

在Java 8 之前,HashMap和其他基于map的类都是通过链地址法解决冲突,它们使用单向链表来存储相同索引值的元素。在最坏的情况下,这种方式会将HashMap的get方法的性能从O(1)降低到O(n)。为了解决在频繁冲突时hashmap性能降低的问题,Java 8中使用平衡树来替代链表存储冲突的元素。这意味着我们可以将最坏情况下的性能从O(n)提高到O(logn)

在Java 8中使用常量TREEIFY_THRESHOLD来控制是否切换到平衡树来存储。目前,这个常量值是8,这意味着当有超过8个元素的索引一样时,HashMap会使用树来存储它们。

这一改变是为了继续优化常用类。大家可能还记得在Java 7中为了优化常用类对ArrayList和HashMap采用了延迟加载的机制,在有元素加入之前不会分配内存,这会减少空的链表和HashMap占用的内存。
这一动态的特性使得HashMap一开始使用链表,并在冲突的元素数量超过指定值时用平衡二叉树替换链表。不过这一特性在所有基于hash table的类中并没有,例如Hashtable和WeakHashMap。

目前,只有ConcurrentHashMap,LinkedHashMap和HashMap会在频繁冲突的情况下使用平衡树。

7、什么时候会产生冲突

HashMap中调用hashCode()方法来计算hashCode。
由于在Java中两个不同的对象可能有一样的hashCode,所以不同的键可能有一样hashCode,从而导致冲突的产生。

8、冲突解决小结

  • HashMap在处理冲突时使用链表存储相同索引的元素。

  • 从Java 8开始,HashMap,ConcurrentHashMap和LinkedHashMap在处理频繁冲突时将使用平衡树来代替链表,当同一hash桶中的元素数量超过特定的值便会由链表切换到平衡树,这会将get()方法的性能从O(n)提高到O(logn)。

  • 当从链表切换到平衡树时,HashMap迭代的顺序将会改变。不过这并不会造成什么问题,因为HashMap并没有对迭代的顺序提供任何保证。

  • 从Java 1中就存在的Hashtable类为了保证迭代顺序不变,即便在频繁冲突的情况下也不会使用平衡树。这一决定是为了不破坏某些较老的需要依赖于Hashtable迭代顺序的Java应用。

  • 除了Hashtable之外,WeakHashMap和IdentityHashMap也不会在频繁冲突的情况下使用平衡树。

  • 使用HashMap之所以会产生冲突是因为使用了键对象的hashCode()方法,而equals()和hashCode()方法不保证不同对象的hashCode是不同的。需要记住的是,相同对象的hashCode一定是相同的,但相同的hashCode不一定是相同的对象。

  • 在HashTable和HashMap中,冲突的产生是由于不同对象的hashCode()方法返回了一样的值。
    以上就是Java中HashMap如何处理冲突。这种方法被称为链地址法,因为使用链表存储同一桶内的元素。通常情况HashMap,HashSet,LinkedHashSet,LinkedHashMap,ConcurrentHashMap,HashTable,IdentityHashMap和WeakHashMap均采用这种方法处理冲突。

从JDK 8开始,HashMap,LinkedHashMap和ConcurrentHashMap为了提升性能,在频繁冲突的时候使用平衡树来替代链表。因为HashSet内部使用了HashMap,LinkedHashSet内部使用了LinkedHashMap,所以他们的性能也会得到提升。

http://javarevisited.blogspot.com/2013/02/concurrenthashmap-in-java-example-tutorial-working.html
http://javarevisited.blogspot.jp/2016/01/how-does-java-hashmap-or-linkedhahsmap-handles.html

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