ConcurrentHashMap分段加锁机制简析

￡神魔★判官ぃ 2023-02-12 15:23 14阅读 0赞

ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap，这个应该大家都知道，我就不多废话了，实现的思想是使用的分段加锁，使用分段加锁的作用当然就是可以有效提升并发量，可以对比一下所有操作都加锁的HashTable，就能明白分段加锁的好处了

既然说是分段加锁，那么我们可以猜想一下是根据什么依据来进行分段的呢？  
我们都知道HashMap的底层是一个数组，当里面的键值对出现了hash冲突的话，就会挂载成为一个链表，链表的阈值达到了8之后就会转化为红黑树，既然底层的数据结构是数组的话，那么是否可以对数组来进行加锁呢？我们拿ConcurrentHashMap的put方法来分析一下其中的源码实现就知道了

// ConcurrentHashMap的put方法直接就是调用的类中的putVal方法，所以我这里就直接贴出来putVal方法了
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { 
    	// key和value都不允许为null，否则会报错
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
       	// 计算hash值
        int hash = spread(key.hashCode());
        // 当前链表中元素的个数
        int binCount = 0;
        // table就是底层的数组
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) { 
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            // 判断数组是否为空
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            	// 初始化数组，这里只有一个线程能进行初始化数组的操作
                tab = initTable();
            // 判断要put的元素的位置在数组中是为null，如果为null的话，说明当前位置没有值，不会发生hash冲突
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { 
            	// 使用CAS操作将元素加入数组中，这样即使多个线程进入这个判断，也只有一个线程能put成功，失败的线程继续循环，保证了并发安全
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
            // 扩容相关判断
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            // 如果进入了这个else判断的话，那么说明发生了hash冲突，需要使用链表或者红黑树来处理
            else { 
                V oldVal = null;
                // 这里锁住的f在上面的代码中赋过值了，就是这句f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)
                // 所以这里锁住的是发生hash冲突的一个Node节点，只是数组中的一个元素而已，而不是锁住了整个数组
                synchronized (f) { 
                    if (tabAt(tab, i) == f) { 
                        if (fh >= 0) { 
                            binCount = 1;
                            for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) { 
                                K ek;
                                // 如果key值一样的话，就使用新的value覆盖旧的value
                                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;
                                // 如果key不同的话，e一开始其实就是f，将新的元素使用链表的形式挂载在之前的元素后
                                if ((e = e.next) == null) { 
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        // 转化为红黑树之后，下次再有hash冲突的话，就直接将元素加入到红黑树中
                        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) { 
                	// 如果binCount的值大于等于8的话，就将链表转化为红黑树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

通过ConcurrentHashMap的put方法，我们可以发现，加锁分为了两种：

1、没有发生hash冲突的时候，如果添加的元素的位置在数组中是空的话，那么就使用CAS的方式来加入元素，这里加锁的粒度是数组中的元素

2、如果出现了hash冲突，添加的元素的位置在数组中已经有了值，那么又存在三种情况  
（1）key相同，那么直接用新的元素覆盖旧的元素  
（2）如果数组中的元素是链表的形式，那么将新的元素挂载在链表尾部  
（3）如果数组中的元素是红黑树的形式，那么将新的元素加入到红黑树

第二种情况使用的是synchronized加锁，锁住的对象就是数组中的元素，加锁的粒度和第一种情况相同

得出结论，**ConcurrentHashMap的分段加锁机制，其实锁住的就是数组中的元素，当操作数组中不同的元素时，是不会产生竞争的**

上面所说的都是JDK1.8的ConcurrentHashMap的实现，那么这个实现机制和JDK1.7中的ConcurrentHashMap又有什么不同呢？

在JDK1.7中，ConcurrentHashMap使用的是segment锁，是继承自ReentrantLock，一旦初始化完成，就不能再改变了，但是segment数组中的HashEntry数组是可以改变的  
jdk1.8中的ConcurrentHashMap中废弃了segment锁，直接使用了数组元素，数组中的每个元素都可以作为一个锁，在元素中没有值的情况下，可以直接通过CAS操作来设值，同时保证并发安全，如果元素里面已经存在值的话，那么就使用synchronized关键字对元素加锁，再进行之后的hash冲突处理  
随着数组扩容的话，这里面的元素增多，可加的锁也增多了，所以说jdk1.8的ConcurrentHashMap加锁粒度比1.7更细，jdk1.7里的ConcurrentHashMap加锁只能对segment来加锁，而且初始化了就不能改变

综上所述，**JDK1.8中的ConcurrentHashMap加锁的粒度更细，并发性能更好**