HashMap、ConcurrentHashMap和SynchronizedMap – 哈希表在Java中的同步处理

在Java中，HashMap是一个非常有用的数据结构。几乎每一个Java应用都会使用到它。我之前的博文中有介绍过如何实现一个线程安全的缓存，在这个例子中，我就使用到了HashMap。然而，需要注意的是，HashMap本身并不是一个线程安全的Collection类。

常见问题

ConcurrentHashMap和Collections.synchronizedMap(Map)分别是什么？
ConcurrentHashMap和Collections.synchronizedMap(Map)在性能上有什么区别？
ConcurrentHashMap和Collections.synchronizedMap(Map)的优劣对比？
关于HashMap和ConcurrentHashMap的常见面试问题

在这篇文章中，将涵盖以上的问题，并解释我们应该如何将HashMap变得线程安全。

原因

Map是一个通过键值对的形势来存储元素的容器，其中，要求key保持唯一，并且每一个key唯一对应一个value。如果你在设计一个高度并行化的程序，并且需要在不同的线程中去读取或者修改一个Map对象，那么使用线程安全的Map则是一个理想的选择。最典型的一个例子就是生产者－消费者模式，生产者不断的修改Map而消费者同时也在读取Map中的值。

那么对于Map来说，什么是线程安全呢？简单的来说，就是当多个线程同时在使用一个Map的时候，至少有一个线程对Map的结构进行了修改，那么必须保证这个修改被立即同步到其他线程中去，避免其他线程获取到错误的值。

解决方案

有两种方法可以解决HashMap的线程安全问题：
① Java的Collections库中的synchronizedMap()方法
② 使用ConcurrentHashMap

译者注：其实还有第三种方法，使用Hashtable。不过Hashtable是Java 1.1提供的旧有类，从性能上和使用上都不如其他的替代类，因此已经不推荐使用

//Hashtable
Map<String, String> normalMap = new Hashtable<String, String>();

//synchronizedMap
synchronizedHashMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>());

//ConcurrentHashMap
concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<String, String>();

ConcurrentHashMap

concurrentHashMap结构

当你程序需要高度的并行化的时候，你应该使用ConcurrentHashMap
尽管没有同步整个Map，但是它仍然是线程安全的
读操作非常快，而写操作则是通过加锁完成的
在对象层次上不存在锁（即不会阻塞线程）
锁的粒度设置的非常好，只对哈希表的某一个key加锁
ConcurrentHashMap不会抛出ConcurrentModificationException，即使一个线程在遍历的同时，另一个线程尝试进行修改。
ConcurrentHashMap会使用多个锁

SynchronizedHashMap

会同步整个对象
每一次的读写操作都需要加锁
对整个对象加锁会极大降低性能
这相当于只允许同一时间内至多一个线程操作整个Map，而其他线程必须等待
它有可能造成资源冲突（某些线程等待较长时间）
SynchronizedHashMap会返回Iterator，当遍历时进行修改会抛出异常

测试案例

package com.qiuzq.jz.service.impl;

import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @program: jz
 * @Date: 2018/11/25/025 12:17
 * @author: Mr.Qiu
 * @Description:具体例子看看Collections.synchronizedMap()和ConcurrentHashMap哪个性能更高。
 */
public class T2 {
    public final static int THREAD_POOL_SIZE = 5;

    public static Map<String, Integer> crunchifyHashTableObject = null;
    public static Map<String, Integer> crunchifySynchronizedMapObject = null;
    public static Map<String, Integer> crunchifyConcurrentHashMapObject = null;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Test with Hashtable Object
        crunchifyHashTableObject = new Hashtable<>();
        crunchifyPerformTest(crunchifyHashTableObject);
        // Test with synchronizedMap Object
        crunchifySynchronizedMapObject = Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, Integer>());
        crunchifyPerformTest(crunchifySynchronizedMapObject);
        // Test with ConcurrentHashMap Object
        crunchifyConcurrentHashMapObject = new ConcurrentHashMap<>();
        crunchifyPerformTest(crunchifyConcurrentHashMapObject);

    }

    public static void crunchifyPerformTest(final Map<String, Integer> crunchifyThreads) throws InterruptedException {
        System.out.println("Test started for: " + crunchifyThreads.getClass());
        long averageTime = 0;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            long startTime = System.nanoTime();
            ExecutorService crunchifyExServer = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_POOL_SIZE);

            for (int j = 0; j < THREAD_POOL_SIZE; j++) {
                crunchifyExServer.execute(new Runnable() {
                    @SuppressWarnings("unused")
                    @Override
                    public void run() {

                        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
                            Integer crunchifyRandomNumber = (int) Math.ceil(Math.random() * 550000);

                            // Retrieve value. We are not using it anywhere
                            Integer crunchifyValue = crunchifyThreads.get(String.valueOf(crunchifyRandomNumber));

                            // Put value
                            crunchifyThreads.put(String.valueOf(crunchifyRandomNumber), crunchifyRandomNumber);
                        }
                    }
                });
            }

            // Make sure executor stops
            crunchifyExServer.shutdown();

            // Blocks until all tasks have completed execution after a shutdown request
            crunchifyExServer.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.DAYS);

            long entTime = System.nanoTime();
            long totalTime = (entTime - startTime) / 1000000L;
            averageTime += totalTime;
            System.out.println("2500K entried added/retrieved in " + totalTime + " ms");
        }
        System.out.println("For " + crunchifyThreads.getClass() + " the average time is " + averageTime / 5 + " ms\n");
    }

}

效率对比图

结构显示，ConcurrentHashMap性能是明显优于Hashtable和SynchronizedMap的，ConcurrentHashMap花费的时间比前两个的一半还少。

推荐阅读：
ConcurrentHashMap原理与应用
 面试必问