Java - 线程安全的 HashMap 实现方法及原理

Java HashMap 是非线程安全的。在多线程条件下，容易导致死循环，具体表现为CPU使用率100%。因此多线程环境下保证 HashMap 的线程安全性，主要有如下几种方法：

 

1. 使用 java.util.Hashtable 类，此类是线程安全的。
2. 使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap，此类是线程安全的。
3. 使用 java.util.Collections.synchronizedMap() 方法包装 HashMap object，得到线程安全的Map，并在此Map上进行操作。
4. 自己在程序的关键方法或者代码段加锁，保证安全性，当然这是严重的不推荐。

为什么 HashMap 非线程安全, 可以参考大神陈皓（weibo账号：左耳朵耗子）在他自己技术网站Coolshell上的文章，写的非常详细。

 

这里重点分析下上面列举的几种方法实现并行安全性的原理：

 

（一）java.util.Hashtable类：类的主要数据结构如下：

    

1. /**
2.      * The hash table data.
3.      */
4. private transient
5.   
6. private static class Entry<K,V> implements
7. int
8.     K key;  
9.     V value;  
10.     Entry<K,V> next;

     

       可见，Hashtable 的实现是一个数组，每个数组元素是一个LinkList结构，因此类的数据实际上保存在一个散列表中。这个实现和 HashMap 的实现是一致的。数据结构如下：

 

      那么Hashtable如何保证线程安全性的哪？下面是 Hashtable的源码：

 

1. public synchronized
2.     Entry tab[] = table;  
3. //此处省略，具体的实现请参考 jdk实现
4.     }  
5.   
6. public synchronized
7. //具体实现省略，请参考jdk实现
8.     }  
9.   
10.   
11. public synchronized
12. //具体实现省略，请参考jdk实现
13.     }  
14.   
15.      
16. public synchronized void putAll(Map<? extends K, ? extends
17. for (Map.Entry<? extends K, ? extends
18.             put(e.getKey(), e.getValue());  
19.     }  
20.   
21.   
22. public synchronized void
23. //具体实现省略，请参考jdk实现
24.     }

每个方法本身都是 synchronized 的，不会出现两个线程同时对数据进行操作的情况，因此保证了线程安全性，但是也大大的降低了执行效率。因此是不推荐的。

 

 

（二）使用 java.util.Collections.synchronizedMap(Map<K,V>) 方法进行封装。 方法源代码如下：

 

1. public static
2. return new
3.     }  
4.   
5.   
6. private static class
7. implements
8. // use serialVersionUID from JDK 1.2.2 for interoperability
9. private static final long
10.   
11. private final Map<K,V> m;     // Backing Map
12. final Object      mutex;    // Object on which to synchronize
13.   
14.     SynchronizedMap(Map<K,V> m) {  
15. if (m==null)  
16. throw new
17. this.m = m;  
18. this;  
19.         }  
20.   
21.     SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {  
22. this.m = m;  
23. this.mutex = mutex;  
24.         }  
25.   
26. public int
27. synchronized(mutex) {return
28.         }  
29. public boolean
30. synchronized(mutex) {return
31.         }  
32. public boolean
33. synchronized(mutex) {return
34.         }

其封装的本质和 Hashtable 的实现是完全一致的，即对原Map本身的方法进行加锁，加锁的对象或者为外部指定共享对象mutex，或者为包装后的线程安全的Map本身。Hashtable 可以理解为 SynchronizedMap mutex=null 时候的特殊情况。因此这种同步方式的执行效率也是很低的。

   

        既然已经有了Hashtable， 为什么还需要Collections 提供的这种静态方法包装哪？很简单，这种包装是Java Collection Framework提供的统一接口，除了用于 HashMap 外，还可以用于其他的Map。当然 除了对Map进行封装，Collections工具类还提供了对 Collection（比如Set，List）的线程安全实现封装方法，具体请参考 java.util.Colletions 实现，其原理和 SynchronizedMap 是一致的。

 

（三） 使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 类。并发编程大师 Doug Lea 出品，绝对精品。这是 HashMap 的线程安全版，同 Hashtable 相比，ConcurrentHashMap 不仅保证了访问的线程安全性，而且在效率上有较大的提高。

 

ConcurrentHashMap的数据结构如下：

 

可以看出，相对 HashMap 和 Hashtable， ConcurrentHashMap 增加了Segment 层，每个Segment 原理上等同于一个 Hashtable， ConcurrentHashMap 为 Segment 的数组。下面是 ConcurrentHashMap 的 put 和 get 方法：

1. final Segment<K,V> segmentFor(int
2. return
3.     }  
4.   
5. public
6. if (value == null)  
7. throw new
8. int
9. return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);  
10.     }  
11.   
12. public
13. int
14. return
15.     }

因此不用锁定整个类， 只要对单个的 Segment 操作进行上锁操作就可以了。理论上如果有 n 个 Segment，那么最多可以同时支持 n 个线程的并发访问，从而大大提高了并发访问的效率。另外 rehash() 操作也是对单个的 Segment 进行的，所以由 Map 中的数据量增加导致的 rehash 的成本也是比较低的。

 

单个 Segment 的进行数据操作的源码如下：

 

1. V put(K key, int hash, V value, boolean
2.             lock();  
3. try
4. int
5. if (c++ > threshold) // ensure capacity
6.                     rehash();  
7.   
8. // 代码省略，具体请查看源码                
9.   
10. finally
11.                 unlock();  
12.             }  
13.         }  
14.   
15. V replace(K key, int
16.             lock();  
17. try
18.                 HashEntry<K,V> e = getFirst(hash);  
19.                 
20. // 代码省略，具体请查看源码   
21.                  
22. finally
23.                 unlock();  
24.             }  
25.         }

 

   可见对 单个的 Segment 进行的数据更新操作都是 加锁的，从而能够保证线程的安全性。