多线程下HashMap安全问题-ConcurrentHashMap解析

Java1.5 引入了 java.util.concurrent 包，其中 Collection 类的实现允许在运行过程中修改集合对象。实际上， Java 的集合框架是[迭代器设计模式]的一个很好的实现。
为什么需要使用 ConcurrentHashMap ？
HashMap 不是线程安全的，因此多线程操作需要注意，通常使用 HashTable 或者 Collections.synchronizedMap() 来返回线程安全的 HashMap ，但是这两种方法都是对所有方法实现同步，导致读写性能比较低，而 ConcurrentHashMap 引入“分段锁”的概念，可以理解为把一个大的 Map 差分成小的 HashTable ，根据 key.hashCode() 来决定把 key 放到哪个 HashTable 中去。
就是把 Map 分成了N个 Segment ， put 和 get 的时候，都是现根据 key.hashCode() 算出放到哪个Segment中：

图片.png

对比：
ConcurrentHashMap 与 HashMap 很相似，但是它支持在运行时修改集合对象。
例子：
ConcurrentHashMapExample.java
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class ConcurrentHashMapExample {

public static void main(String[] args) {

    //ConcurrentHashMap
    Map<String,String> myMap = new ConcurrentHashMap<String,String>();
    myMap.put("1", "1");
    myMap.put("2", "1");
    myMap.put("3", "1");
    myMap.put("4", "1");
    myMap.put("5", "1");
    myMap.put("6", "1");
    System.out.println("ConcurrentHashMap before iterator: "+myMap);
    Iterator<String> it = myMap.keySet().iterator();

    while(it.hasNext()){
        String key = it.next();
        if(key.equals("3")) myMap.put(key+"new", "new3");
    }
    System.out.println("ConcurrentHashMap after iterator: "+myMap);

    //HashMap
    myMap = new HashMap<String,String>();
    myMap.put("1", "1");
    myMap.put("2", "1");
    myMap.put("3", "1");
    myMap.put("4", "1");
    myMap.put("5", "1");
    myMap.put("6", "1");
    System.out.println("HashMap before iterator: "+myMap);
    Iterator<String> it1 = myMap.keySet().iterator();

    while(it1.hasNext()){
        String key = it1.next();
        if(key.equals("3")) myMap.put(key+"new", "new3");
    }
    System.out.println("HashMap after iterator: "+myMap);
}

}

输出如下：
ConcurrentHashMap before iterator: {1=1, 5=1, 6=1, 3=1, 4=1, 2=1}
ConcurrentHashMap after iterator: {1=1, 3new=new3, 5=1, 6=1, 3=1, 4=1, 2=1}
HashMap before iterator: {3=1, 2=1, 1=1, 6=1, 5=1, 4=1}
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.HashMap$HashIterator.nextEntry(HashMap.java:793)
at java.util.HashMap$KeyIterator.next(HashMap.java:828)
at com.test.ConcurrentHashMapExample.main(ConcurrentHashMapExample.java:44)
明显 ConcurrentHashMap 可以支持向 map 中添加新元素，而 HashMap 则抛出了 ConcurrentModificationException。

介绍 ConcurrentHashMap：
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。

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 --因为 CHM 将 Map 分割成了不同的部分，在执行风行操作时只锁住一部分。根据默认的并发级别， 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 。
另外一个重点是在迭代遍历 CHM 时， keySet 返回的 iterator 是弱一直和 fail-safe 的，可能不会返回某些最近的改变，并且在遍历中，如果已经遍历的数组上的内容发生了变化，是不会抛出 ConcurrentModificationException 的异常。

什么时候使用 ConcurrentHashMap ？（待求证）
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。

ConcurrentHashMap 小总结：

*** 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

HashMap 与 ConcurrentHashMap对比：

HashMap 的结构：

image

简单来说， HashMap 是一个Entry对象的数组。数组中的每一个 Entry 元素，又是一个链表的头节点。

Hashmap 不是线程安全的。在高并发环境下做插入操作，有可能出现下面的环形链表：

image

Segment 是什么呢？ Segment 本身就相当于一个 HashMap 对象。

同 HashMap 一样， Segment 包含一个 HashEntry 数组，数组中的每一个 HashEntry 既是一个键值对，也是一个链表的头节点。

单一的 Segment 结构如下：

image

像这样的 Segment 对象，在 ConcurrentHashMap 集合中有多少个呢？有2的N次方个，共同保存在一个名为 segments 的数组当中。

因此整个ConcurrentHashMap的结构如下：

image

可以说，ConcurrentHashMap 是一个二级哈希表。在一个总的哈希表下面，有若干个子哈希表。

这样的二级结构，和数据库的水平拆分有些相似。

附上 ConcurrentHashMap 遍历方式：
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**

Java 中遍历 Map 的四种方式,这里使用的是 ConcurrentHashMap,

可以替换为 HashMap
*/
public class IteratorMap {
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>();
init(map);

 //方式一：在 for-each 循环中使用 entries 来遍历  
 System.out.println("方式一：在 for-each 循环中使用 entries 来遍历");  
 for(Map.Entry<String, String> entry: map.entrySet()) {  
      System.out.println("Key = " + entry.getKey() + ", Value = " + entry.getValue());  
 }  
   
 //方法二：在 for-each 循环中遍历 keys 或 values ,这种方式适用于需要值或者键的情况,方法二比方法一快了10%  
 System.out.println("方法二：在 for-each 循环中遍历 keys 或 values ,这种方式适用于需要值或者键的情况");  
 //遍历键  
 for(String key : map.keySet()) {  
     System.out.println("key = " + key);  
 }  
   
 //遍历值  
 for(String value : map.values()) {  
     System.out.println("value = " + value);  
 }  
   
 //方法三：使用 Iterator 遍历,使用并发集合不会报异常,性能类似于方法二  
 //使用泛型  
 Iterator<Map.Entry<String, String>> entries = map.entrySet().iterator();    
 System.out.println("使用 Iterator 遍历,并且使用泛型:");  
 while (entries.hasNext()) {    
     
     Map.Entry<String, String> entry = entries.next();    
     
     System.out.println("Key = " + entry.getKey() + ", Value = " + entry.getValue());    
       
     //注意这里操作了集合,下面的的遍历不会再打印0  
     <strong><span style="color:#cc0000;">if("0".equals(entry.getKey())) {  
         map.remove(entry.getKey());  
     }</span></strong>  
 }    
   
 //不使用泛型  
 Iterator entrys = map.entrySet().iterator();    
 System.out.println("使用 Iterator 遍历,并且不使用泛型");  
 while (entrys.hasNext()) {    
     
     Map.Entry entry = (Map.Entry) entrys.next();    
     
     String key = (String)entry.getKey();    
     
     String value = (String)entry.getValue();    
     
     System.out.println("Key = " + key + ", Value = " + value);    
     
 }    
   
 //方式四：通过键找值遍历,该方法效率相当低,不建议使用  
 System.out.println("方式四：通过键找值遍历");  
 for (String key : map.keySet()) {    
         
     String value = map.get(key);    
     
     System.out.println("Key = " + key + ", Value = " + value);    
     
 }

}

/**

初始化 Map
@param map
*/
private static void init(Map<String, String> map) {
if(map == null) {
throw new RuntimeException("参数为空,无法执行初始化");
}
for(int i = 0; i < 10; i ++) {
map.put(String.valueOf(i), String.valueOf(i));
}
}

}

运行结果：

方式一：在 for-each 循环中使用 entries 来遍历
Key = 0, Value = 0
Key = 1, Value = 1
Key = 2, Value = 2
Key = 3, Value = 3
Key = 4, Value = 4
Key = 5, Value = 5
Key = 6, Value = 6
Key = 7, Value = 7
Key = 8, Value = 8
Key = 9, Value = 9
方法二：在 for-each 循环中遍历 keys 或 values ,这种方式适用于需要值或者键的情况
key = 0
key = 1
key = 2
key = 3
key = 4
key = 5
key = 6
key = 7
key = 8
key = 9
value = 0
value = 1
value = 2
value = 3
value = 4
value = 5
value = 6
value = 7
value = 8
value = 9
使用Iterator遍历,并且使用泛型:
Key = 0, Value = 0
Key = 1, Value = 1
Key = 2, Value = 2
Key = 3, Value = 3
Key = 4, Value = 4
Key = 5, Value = 5
Key = 6, Value = 6
Key = 7, Value = 7
Key = 8, Value = 8
Key = 9, Value = 9
使用Iterator遍历,并且不使用泛型
Key = 1, Value = 1
Key = 2, Value = 2
Key = 3, Value = 3
Key = 4, Value = 4
Key = 5, Value = 5
Key = 6, Value = 6
Key = 7, Value = 7
Key = 8, Value = 8
Key = 9, Value = 9
方式四：通过键找值遍历
Key = 1, Value = 1
Key = 2, Value = 2
Key = 3, Value = 3
Key = 4, Value = 4
Key = 5, Value = 5
Key = 6, Value = 6
Key = 7, Value = 7
Key = 8, Value = 8
Key = 9, Value = 9
实现可以参考：https://blog.csdn.net/xuefeng0707/article/details/40834595

最后编辑于：2018.04.20 15:15:30

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