容易忽略的ConcurrentHashMap 线程不安全行为

快来打我* 2022-03-25 14:10 230阅读 0赞

*  **线程安全的基础知识**

首先解释什么是线程安全：在多线程中对一种数据类型的参数进行共享时，各个线程可以正确的执行，不会出现数据错误的情况就是线程安全。   
接下来我们看一段常见的线程代码：

public class ThreadTest {
    public static int index=0;
    public static String str="0";
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService pool1 = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            pool1.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    index++;
                    str="1";
                    System.out.println(index);
                    System.out.println(str);
                }
            });
        }
    }

在上述代码中整型index是非线程安全的，index++不是一个原子操作，它的操作主要分为三步：

1.  读取index 值0 到寄存器
2.  将 index 的值加 1
3.  把 1 赋值给 index

在多线程的环境中，有可能线程 t1 将 0 读到本地内存中 ，但 index 的值已经累加到很大了。   
String类的参数str是线程安全的，因为String是final修饰的。   
说到线程安全总离不开一个词：原子操作，原子操作是指：对于访问同一个状态的所有操作（包括该操作本身）来说，这个操作是一个以原子方式执行的操作。通俗点讲，所谓的原子也就是不可分割的例如ConcurrentHashMap 做containsKey操作时，又有其他的线程在进行 put 对象的操作，这样ConcurrentHashMap 的内部对象得到了增加，它的状态就发生了改变，这是一个非原子的操作。index=0 ，这就是一个原子操作，最小化到jvm的每一个指令去。   
常见的三种同步机制：

1.  volatile 修饰成员变量 , volatile 是一种轻量的同步机制，每个线程都有其独立内存而互相是不可见的，volatile 其中一个作用是保证共享变量对所有线程的可见性，另一个作用是禁止指令重排序。
2.  synchronized 修饰方法或同步代码片段，synchronized 底层是采用监视器monitor 的形式来控制线程安全，当一个线程进入时，会有一个monitor enter指令，线程退出时会触发指令 monitor exit ，下一个线程才可以进来
3.  ReentrantLock 的lock和unlock方法，ReentrantLock 将加锁和解锁进行了拆分，使其用起来可以更加灵活，它的底层采用的是AbstractQueuedSynchronizer 并发器控制线程的并发和安全

*  **线程安全需要避开的坑**

在线程安全中常见的坑是：

1.  线程内部尽量使用局部变量
2.  线程内部需要使用try catch捕获异常, 若使用了 CountDownLatch 做阻塞，需要在 finally 中 写 countDown 方法   
    否则只要抛出异常就会导致程序一直阻塞，无法往下进行
3.  使用线程池时不要设置过多的线程的数量，一般为CPU核数的2倍，否则会导致项目假死
4.  线程内部的集合不要在遍历时进行插入、删除的操作
5.  多线程内部共享的数据类型，若不是线程安全的，则需要在外部使用时进行加锁同步，如ArrayList,HashMap等。**若是线程安全的，则需要注意在线程内部是否有复合操作**。

*  **ConcurrentHashMap 会出现线程不安全的行为**

接下来着重说上述坑中的第5点，今天的主题ConcurrentHashMap 的线程不安全行为，为什么在线程安全的ConcurrentHashMap 中会出现线程不安全的行为，直接上代码：

public class ThreadSafeTest {
    public static Map<Integer,Integer> map=new ConcurrentHashMap<>();
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService pool1 = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            pool1.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Random random=new Random();
                    int randomNum=random.nextInt(10);
                    if(map.containsKey(randomNum)){
                        map.put(randomNum,map.get(randomNum)+1);
                    }else{
                        map.put(randomNum,1);
                    }
                }
            });
        }
    }
    }

这段代码是用10个线程测试10以内各个整型随机数出现的次数，表面上看采用ConcurrentHashMap进行contain和put操作没有任何问题。但是仔细想下，尽管 containsKey和 put 两个方法都是原子的，但在jvm中并不是将这段代码做为单条指令来执行的，例如：假设连续生成2个随机数1，map的 containsKey 和 put 方法由线程A和B 同时执行 ，那么有可能会出现A线程还没有把 1 put进去时，B线程已经在进行if 的条件判断了，也就是如下的执行顺序：

A:  map 正在放置随机数 1 进去 
    A 被挂起
    B:  执行 map.containsKey(1) 返回false
    B:  将随机数 1 放进 map
    A:  将随机数 1 放进 map
    map 中key 为1 的value值 还是为 1

这样会导致虽然生成了2次随机数 1 ，它的value值还是1，我们期望的结果应该是2，这并不是我们想要的结果。概括的说就是两个线程同时竞争map, 但他们对map访问顺序必须是先 containsKey 然后再 put 对象进去，即产生了竞态条件。解决方法当然就是同步了，现在我们将代码改成如下：

public class ThreadSafeTest {
    public static Map<Integer,Integer> map=new ConcurrentHashMap<>();
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService pool1 = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            pool1.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    Random random=new Random();
                    int randomNum=random.nextInt(10);
                   countRandom(randomNum);
                }
            });
        }
    }
    public static synchronized void countRandom(int randomNum){
        if(map.containsKey(randomNum)){
            map.put(randomNum,map.get(randomNum)+1);
        }else{
            map.put(randomNum,1);
        }
    }
    }

上述代码在当前类中没有线程安全的问题，但依然有线程安全的危险，成员变量map依然有可能会在其他地方被更改，在java并发中属于无效的同步锁，将countRandom修改成如下即可：

public static  void countRandom(int randomNum){
        synchronized(map){
            if(map.containsKey(randomNum)){
                map.put(randomNum,map.get(randomNum)+1);
            }else{
                map.put(randomNum,1);
            }
        }
    }

在上述代码中由于同步的原因，ConcurrentHashMap 即使换成HashMap 也可以，只要保证map的各个操作都是线程安全的即可。   
写这篇文章也是我工作中经历的一个bug, 我目前是在从事酒店行业的房间预订工作，由于每一个房型会有多个不同的产品进行售卖，在通过接口获取数据时，需要将名称相同的房型合并成为一个产品进行展示售卖，例如以下数据：

{
            "roomId": 1,
            "roomName": "大床房",
            "price": 1805
    
        }, {
    
            "roomId": 2,
            "roomName": "大床房",
            "price": 1705
    
        }, {
    
            "roomId": 3,
            "roomName": "大床房",
            "price": 1605
        }

由于是面向C端用户需要实时展示各个房型产品的价格，所以采用了多线程并使用 ConcurrentHashMap ，其中key为房型名称roomName，value为3个房型产品的数据，所以我就在线程内部使用了如下代码：

if(map.containsKey(roomName)){
                map.put(roomName, map.get(roomName)+roomData2);
            }else{
                map.put(roomName,roomData);
            }

由于公司代码不便贴出来，用以上代码展示。逻辑就是若map中包含名称相同的产品则将其取出来放到一个 List中再 put 进去。结果就是当数据量大的时候，大床房的部分价格会被覆盖没有展示出来，导致我们的产品体验很差。最后的解决办法就是上面的采用 synchronized 关键字对map做同步，这样大床房的每一个价格都会展示出来，bug解决。

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2019-04-02 更新

评论区中有人提到 可以使用 ConcurrentHashMap 的 putIfAbsent 方法 ，我们看下这个方法:

public V putIfAbsent(K key, V value) {
            return putVal(key, value, true);
        }
    /** Implementation for put and putIfAbsent */
        final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
            int hash = spread(key.hashCode());
            int binCount = 0;
            for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
                Node<K,V> f; int n, i, fh;
                if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                    tab = initTable();
                else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                    if (casTabAt(tab, i, null,
                                 new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                        break;                   // no lock when adding to empty bin
                }
                else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                    tab = helpTransfer(tab, f);
                else {
                    V oldVal = null;
                    synchronized (f) {
                        if (tabAt(tab, i) == f) {
                            if (fh >= 0) {
                                binCount = 1;
                                for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                                    K ek;
                                    if (e.hash == hash &&
                                        ((ek = e.key) == key ||
                                         (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                        oldVal = e.val;
                                        if (!onlyIfAbsent)
                                            e.val = value;
                                        break;
                                    }
                                    Node<K,V> pred = e;
                                    if ((e = e.next) == null) {
                                        pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                                  value, null);
                                        break;
                                    }
                                }
                            }
                            else if (f instanceof TreeBin) {
                                Node<K,V> p;
                                binCount = 2;
                                if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                               value)) != null) {
                                    oldVal = p.val;
                                    if (!onlyIfAbsent)
                                        p.val = value;
                                }
                            }
                        }
                    }
                    if (binCount != 0) {
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                            treeifyBin(tab, i);
                        if (oldVal != null)
                            return oldVal;
                        break;
                    }
                }
            }
            addCount(1L, binCount);
            return null;
        }

方法中 我们可以看到

if (oldVal != null)
          return oldVal;

在并发 插入的时候若原来的值存在则直接返回，否则返回 null . 这个在某些场景下是合适的 ，但在我上面提到的场景是不合适的

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*  **线程安全的扩展与发散**
    
    现在我们发散一下，上面只是讲了 ConcurrentHashMap 的线程不安全行为，但是任何线程安全的数据类型都有可能出现2个线程安全的方法放在一起使用导致线程不安全的行为，如List同步器 Vector 的contains 和 add行为 、线程安全的整型计数器 AtomicInteger 的 get 和 incrementAndGet 行为等等。
 *  **归纳与总结**
    
    最后的归纳总结，我们在多线程中使用线程安全类时也需要注意是否用到了2个及以上的同步方法，若用到了则需要将这多个方法使用同步变成原子操作，所谓的原子操作一定细化到jvm内部的指令，而不能单纯的以为一行代码就是原子操作。千万不要以为只要使用线程安全数据类型就万事大吉。