Java- 技术专题 -ConcurrentHashMap 读操作分析

李浩宇/Alex

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发布于: 2021 年 03 月 27 日

版本变革对比：

1.7 版本：采用 Segment + HashEntry + ReentrantLock

JDK1.7 版本锁的粒度是基于 Segment 的，包含多个 HashEntry

1.8 版本：采用 Node + CAS + Synchronized

JDK1.8 锁的粒度就是 HashEntry（首节点），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。
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。

//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;    int h = spread(key.hashCode()); //计算hash    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来        //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ForwardingNode，那就往下遍历            if (e.hash == h &&                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))                return e.val;        }    }    return null;}

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get 没有加锁的话，ConcurrentHashMap 是如何保证读到的数据不是脏数据的呢？

volatile 登场

(正好巩固一下 Volatile)

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，但并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信，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（MESI）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（强制+同步）：使用 volatile 关键字会强制将修改的值立即写入主存；load 之后必须 store，assgin 之后也不许 use 等操作的强制更新内存的机制(范围，但 cpu 的多个线程之间)
第二（通知+嗅探）：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（无效+读取）：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 再次读取变量的值时会去主存读取。

加在数组上的 volatile

/** * The array of bins. Lazily initialized upon first insertion. * Size is always a power of two. Accessed directly by iterators. */transient volatile Node<K,V>[] table;

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我们知道 volatile 可以修饰数组的，只是意思和它表面上看起来的样子不同。举个栗子，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.所以即使数据上面加入 volatile 关键字，仍旧不是可见性的

用 volatile 修饰的 Node

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

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 getValue()     { 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);        }        return null;    }}

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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。

发布于: 2021 年 03 月 27 日阅读数: 10

李浩宇/Alex

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我们始于迷惘，终于更高的迷惘。 2020.03.25 加入

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版本变革对比：

get 操作源码

volatile 登场

(正好巩固一下 Volatile)

总结下来

加在数组上的 volatile

用 volatile 修饰的 Node

总结

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