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Java容器：HashTable, synchronizedMap与ConcurrentHashMap

IP云
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首先需要明确的是，不管使用那种Map，都不能保证公共混合调用的线程安全，只能保证单条操作的线程安全，在这一点上各Map不存在优劣。

前文中简单说过HashTable和synchronizedMap，其实这两个类不需要说太多，把代码贴一下相信看过Java多线程的就能很容易理解了。

HashTable

HashTable的话，实现这个样子的。可以看到的是，对于Hash表的所有操作，HashTable都加了锁，但也只能保证单条操作的线程安全。

public synchronized V get(Object key) {
// 省略实现
}
public synchronized V put(K key, V value) {
// 省略实现
}

synchronizedMap

synchronizedMap的实现如下，没直接在方法上加，尽管其实质与HashTable是等效的，也同样有HashTable的缺陷，但synchronizedMap给用户留下了选择的空间：用户可以在不需要加锁时直接操作原始Map，在实际编码时就可以基于这点进行优化。

// synchronizedMap方法
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
return new SynchronizedMap<>(m);
}
// SynchronizedMap类
private static class SynchronizedMap<K,V>
implements Map<K,V>, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L; private final Map<K,V> m; // Backing Map
final Object mutex; // Object on which to synchronize SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
this.m = Objects.requireNonNull(m);
mutex = this;
} SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
this.m = m;
this.mutex = mutex;
} public int size() {
synchronized (mutex) {return m.size();}
}
public boolean isEmpty() {
synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
}
public boolean containsKey(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
}
public boolean containsValue(Object value) {
synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
}
public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.get(key);}
} public V put(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}
public V remove(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
}
// 省略其他方法
}

ConcurrentHashMap

提高安全HashMap的并发性的方法，可以通过减小锁粒度的方式，不对整个Hash表加锁，而是对每个bucket加锁，甚至用锁池，每个锁维护几个bucket，让Map的不同部分可以被多个线程访问，不过这样的方式会让对整体集合操作的方法的实现更加困难。Java7中的ConcurrentHashMap就通过Segment引入了这个分段加锁概念，但Java8由于上述困难更改了机制，引入了红黑树结构，去掉了Segment。

JDK1.8的改进后，ConcurrentHashMap的写性能有10%左右的降低，但读性能有了很大提升。主要是将过于集中的hash节点的效率从O(N)提高到了O(LOGN)。

ConcurrentHashMap利用了CAS进行实现，从而以乐观锁的方式实现了线程安全的HashMap，concurrentHashMap的源码很复杂，一些方法的实现思路如下：

Java8的ConcurrentHashMap的数据结构实现思路大概为，对于Hash表中每一个节点，其数据结构可以为单节点，链表数组或红黑树，随着节点中元素增加而改变。（改变方法见treeifyBin）。

put()方法

  • hash数组是否为空，为空则先调用initTable()方法进行初始化
  • 如果hash数组已经初始化了，则根据hash值找到对应的数组下标，如果对应节点为空，通过cas方式直接插入
  • 如果数组已经扩容，则进行数据迁移
  • 如果数组该位置已经有值了，则需要对该节点加锁并进行数据插入操作，仅对一个节点加锁，其锁粒度实际上比Java7中Segment实现更小。此时如果该节点是链表结构，则遍历链表，插入数据；如果如果该节点是红黑树结构，则调用红黑树的插值方法插入新值
  • 针对链表结构，如果插入新元素后，hash数组长度超过阈值，则需要调用treeifyBin()方法进行扩容或者是将链表转换为红黑树

initTable()方法

  • 当table不存在，开始自旋。
  • 利用CAS操作将sizeCtl属性设置为-1，表示本线程正对数组初始化，阻止其他线程的初始化。
  • 进行常规的初始化操作，扩容阈值为数组容量的75%。
  • 将sizeCtl设置成扩容阈值，结束初始化。

treeifyBin()方法

该方法用于对数组链表扩容，或将链表结构转化为红黑树，一个节点的元素个数大于链表阈值（默认8）时，如果数组链表长度小于红黑树阈值（默认64），则对数组链表扩容，否则将该节点转换为红黑树。

transfer()，helpTransfer(),tryPresize()方法

这些方法负责hash表扩容，由于要通过CAS实现线程安全，代码十分复杂。大概思路为，原数组长度为n，则产生n个迁移任务，让每一个线程负责一个小任务，之后监测是否有其他没做完的任务，帮助迁移。

get()方法

get方法不涉及CAS操作，实现较为简单，计算hash值，找到对应节点进行判断：

  • 该位置为null返回null。
  • 该位置节点为所求值，返回值。
  • 该位置节点hash值小于0，说明在扩容，或者为红黑树，使用find方法。
  • 以上都不满足，该位置为链表，遍历搜索。

性能

目前多线程环境下ConcurrentMap的性能有很高的优越性，通常情况下，如果你的Map处于多读少写的场景，优先考虑ConcurrentMap，但在多写少读的情境中，由于资源竞争激烈，CAS自旋可能导致ConcurrentMap性能不如synchronizedMap。

参考文献

Collections.synchronizedMap()、ConcurrentHashMap、Hashtable之间的区别

Java8 ConcurrentHashMap详解

浅谈Java8中的ConcurrentHashMap

SynchronizedMap