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从ConcurrentHashMap的演进看Java多线程核心技术 Java进阶(六)(一)
2017-10-13 10:25:05 】 浏览:10107
Tags:ConcurrentHashMap 演进 Java 线程 核心 技术 进阶

本文分析了HashMap的实现原理,以及resize可能引起死循环和Fast-fail等线程不安全行为。同时结合源码从数据结构,寻址方式,同步方式,计算size等角度分析了JDK 1.7和JDK 1.8中ConcurrentHashMap的实现原理。

原创文章,同步首发自作者个人博客,转载请在文章开头处以超链接注明出处。http://www.jasongj.com/java/concurrenthashmap/

线程不安全的HashMap

众所周知,HashMap是非线程安全的。而HashMap的线程不安全主要体现在resize时的死循环及使用迭代器时的fast-fail上。

注:本章的代码均基于JDK 1.7.0_67

HashMap工作原理

HashMap数据结构

常用的底层数据结构主要有数组和链表。数组存储区间连续,占用内存较多,寻址容易,插入和删除困难。链表存储区间离散,占用内存较少,寻址困难,插入和删除容易。

HashMap要实现的是哈希表的效果,尽量实现O(1)级别的增删改查。它的具体实现则是同时使用了数组和链表,可以认为最外层是一个数组,数组的每个元素是一个链表的表头。

HashMap寻址方式

对于新插入的数据或者待读取的数据,HashMap将Key的哈希值对数组长度取模,结果作为该Entry在数组中的index。在计算机中,取模的代价远高于位操作的代价,因此HashMap要求数组的长度必须为2的N次方。此时将Key的哈希值对2^N-1进行与运算,其效果即与取模等效。HashMap并不要求用户在指定HashMap容量时必须传入一个2的N次方的整数,而是会通过Integer.highestOneBit算出比指定整数小的最大的2^N值,其实现方法如下。

public static int highestOneBit(int i) {
  i |= (i >>  1);
  i |= (i >>  2);
  i |= (i >>  4);
  i |= (i >>  8);
  i |= (i >> 16);
  return i - (i >>> 1);
}

由于Key的哈希值的分布直接决定了所有数据在哈希表上的分布或者说决定了哈希冲突的可能性,因此为防止糟糕的Key的hashCode实现(例如低位都相同,只有高位不相同,与2^N-1取与后的结果都相同),JDK 1.7的HashMap通过如下方法使得最终的哈希值的二进制形式中的1尽量均匀分布从而尽可能减少哈希冲突。

int h = hashSeed;
h ^= k.hashCode();
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);

resize死循环

transfer方法

当HashMap的size超过Capacity*loadFactor时,需要对HashMap进行扩容。具体方法是,创建一个新的,长度为原来Capacity两倍的数组,保证新的Capacity仍为2的N次方,从而保证上述寻址方式仍适用。同时需要通过如下transfer方法将原来的所有数据全部重新插入(rehash)到新的数组中。

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
  int newCapacity = newTable.length;
  for (Entry<K,V> e : table) {
    while(null != e) {
      Entry<K,V> next = e.next;
      if (rehash) {
        e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
      }
      int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
      e.next = newTable[i];
      newTable[i] = e;
      e = next;
    }
  }
}

该方法并不保证线程安全,而且在多线程并发调用时,可能出现死循环。其执行过程如下。从步骤2可见,转移时链表顺序反转。

  1. 遍历原数组中的元素
  2. 对链表上的每一个节点遍历:用next取得要转移那个元素的下一个,将e转移到新数组的头部,使用头插法插入节点
  3. 循环2,直到链表节点全部转移
  4. 循环1,直到所有元素全部转移

单线程rehash

单线程情况下,rehash无问题。下图演示了单线程条件下的rehash过程
HashMap rehash single thread

多线程并发下的rehash

这里假设有两个线程同时执行了put操作并引发了rehash,执行了transfer方法,并假设线程一进入transfer方法并执行完next = e.next后,因为线程调度所分配时间片用完而“暂停”,此时线程二完成了transfer方法的执行。此时状态如下。

HashMap rehash multi thread step 1

接着线程1被唤醒,继续执行第一轮循环的剩余部分

e.next = newTable[1] = null
newTable[1] = e = key(5)
e = next = key(9)

结果如下图所示
HashMap rehash multi thread step 2

接着执行下一轮循环,结果状态图如下所示
HashMap rehash multi thread step 3

继续下一轮循环,结果状态图如下所示
HashMap rehash multi thread step 4

此时循环链表形成,并且key(11)无法加入到线程1的新数组。在下一次访问该链表时会出现死循环。

Fast-fail

产生原因

在使用迭代器的过程中如果HashMap被修改,那么ConcurrentModificationException将被抛出,也即Fast-fail策略。

当HashMap的iterator()方法被调用时,会构造并返回一个新的EntryIterator对象,并将EntryIterator的expectedModCount设置为HashMap的modCount(该变量记录了HashMap被修改的次数)。

HashIterator() {
  expectedModCount = modCount;
  if (size > 0) { // advance to first entry
  Entry[] t = table;
  while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
    ;
  }
}

在通过该Iterator的next方法访问下一个Entry时,它会先检查自己的expectedModCount与HashMap的modCount是否相等,如果不相等,说明HashMap被修改,直接抛出ConcurrentModificationException。该Iterator的remove方法也会做类似的检查。该异常的抛出意在提醒用户及早意识到线程安全问题。

线程安全解决方案

单线程条件下,为避免出现ConcurrentModificationException,需要保证只通过HashMap本身或者只通过Iterator去修改数据,不能在Iterator使用结束之前使用HashMap本身的方法修改数据。因为通过Iterator删除数据时,HashMap的modCount和Iterator的expectedModCount都会自增,不影响二者的相等性。如果是增加数据,只能通过HashMap本身的方法完成,此时如果要继续遍历数据,需要重新调用iterator()方法从而重新构造出一个新的Iter
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