經(jīng)典面試題：為什么 ConcurrentHashMap 的讀操作不需要加鎖？

板橋胡同37號(hào) 2019-12-05

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作者：上帝愛吃蘋果

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ConcurrentHashMap的簡介
get操作源碼
volatile登場
是加在數(shù)組上的volatile嗎?
用volatile修飾的Node
總結(jié)

我們知道，ConcurrentHashmap(1.8)這個(gè)并發(fā)集合框架是線程安全的，當(dāng)你看到源碼的get操作時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)get操作全程是沒有加任何鎖的，這也是這篇博文討論的問題——為什么它不需要加鎖呢？

ConcurrentHashMap的簡介

我想有基礎(chǔ)的同學(xué)知道在jdk1.7中是采用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的
而1.8中放棄了Segment臃腫的設(shè)計(jì)，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized來保證并發(fā)安全進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

JDK1.8的實(shí)現(xiàn)降低鎖的粒度，JDK1.7版本鎖的粒度是基于Segment的，包含多個(gè)HashEntry，而JDK1.8鎖的粒度就是HashEntry（首節(jié)點(diǎn)）
JDK1.8版本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加簡單，使得操作也更加清晰流暢，因?yàn)橐呀?jīng)使用synchronized來進(jìn)行同步，所以不需要分段鎖的概念，也就不需要Segment這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)了，由于粒度的降低，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也增加了
JDK1.8使用紅黑樹來優(yōu)化鏈表，基于長度很長的鏈表的遍歷是一個(gè)很漫長的過程，而紅黑樹的遍歷效率是很快的，代替一定閾值的鏈表，這樣形成一個(gè)最佳拍檔

get操作源碼

首先計(jì)算hash值，定位到該table索引位置，如果是首節(jié)點(diǎn)符合就返回
如果遇到擴(kuò)容的時(shí)候，會(huì)調(diào)用標(biāo)志正在擴(kuò)容節(jié)點(diǎn)ForwardingNode的find方法，查找該節(jié)點(diǎn)，匹配就返回
以上都不符合的話，就往下遍歷節(jié)點(diǎn)，匹配就返回，否則最后就返回null

//會(huì)發(fā)現(xiàn)源碼中沒有一處加了鎖
public V get(Object key) {
    Node[] tab; Nodee, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode()); //計(jì)算hash
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//讀取首節(jié)點(diǎn)的Node元素
        if ((eh = e.hash) == h) { //如果該節(jié)點(diǎn)就是首節(jié)點(diǎn)就返回
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        //hash值為負(fù)值表示正在擴(kuò)容，這個(gè)時(shí)候查的是ForwardingNode的find方法來定位到nextTable來
        //eh=-1，說明該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)ForwardingNode，正在遷移，此時(shí)調(diào)用ForwardingNode的find方法去nextTable里找。
        //eh=-2，說明該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)TreeBin，此時(shí)調(diào)用TreeBin的find方法遍歷紅黑樹，由于紅黑樹有可能正在旋轉(zhuǎn)變色，所以find里會(huì)有讀寫鎖。
        //eh>=0，說明該節(jié)點(diǎn)下掛的是一個(gè)鏈表，直接遍歷該鏈表即可。
        else if (eh < 0)
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {//既不是首節(jié)點(diǎn)也不是ForwardingNode，那就往下遍歷
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

get沒有加鎖的話，ConcurrentHashMap是如何保證讀到的數(shù)據(jù)不是臟數(shù)據(jù)的呢？

volatile登場

對(duì)于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性、有序性。但不保證原子性。

普通的共享變量不能保證可見性，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷闹?，什么時(shí)候被寫入主存是不確定的，當(dāng)其他線程去讀取時(shí)，此時(shí)內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

volatile關(guān)鍵字對(duì)于基本類型的修改可以在隨后對(duì)多個(gè)線程的讀保持一致，但是對(duì)于引用類型如數(shù)組，實(shí)體bean，僅僅保證引用的可見性，但并不保證引用內(nèi)容的可見性。
禁止進(jìn)行指令重排序。

背景：為了提高處理速度，處理器不直接和內(nèi)存進(jìn)行通信，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存（L1，L2或其他）后再進(jìn)行操作，但操作完不知道何時(shí)會(huì)寫到內(nèi)存。

如果對(duì)聲明了volatile的變量進(jìn)行寫操作，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條指令，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。
但是，就算寫回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問題。
在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議
當(dāng)某個(gè)CPU在寫數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，則會(huì)通知其他CPU告知該變量的緩存行是無效的，因此其他CPU在讀取該變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)其無效會(huì)重新從主存中加載數(shù)據(jù)

總結(jié)下來：

使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫入主存；
使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對(duì)應(yīng)的緩存行無效）；
由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量的值時(shí)會(huì)去主存讀取

是加在數(shù)組上的volatile嗎?

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

我們知道volatile可以修飾數(shù)組的，只是意思和它表面上看起來的樣子不同。

舉個(gè)栗子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是數(shù)組元素的值是volatile的.

用volatile修飾的Node

get操作可以無鎖是由于Node的元素val和指針next是用volatile修飾的，在多線程環(huán)境下線程A修改結(jié)點(diǎn)的val或者新增節(jié)點(diǎn)的時(shí)候是對(duì)線程B可見的。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    //可以看到這些都用了volatile修飾
    volatile V val;
    volatile Nodenext;

    Node(int hash, K key, V val, Nodenext) {
        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.
     */
    Nodefind(int h, Object k) {
        Nodee = 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;
    }
}

既然volatile修飾數(shù)組對(duì)get操作沒有效果那加在數(shù)組上的volatile的目的是什么呢？

其實(shí)就是為了使得Node數(shù)組在擴(kuò)容的時(shí)候?qū)ζ渌€程具有可見性而加的volatile

總結(jié)

在1.8中 ConcurrentHashMap 的get操作全程不需要加鎖，這也是它比其他并發(fā)集合比如hashtable、用Collections.synchronizedMap()包裝的hashmap;安全效率高的原因之一
get操作全程不需要加鎖是因?yàn)镹ode的成員val是用volatile修飾的和數(shù)組用volatile修飾沒有關(guān)系。
數(shù)組用volatile修飾主要是保證在數(shù)組擴(kuò)容的時(shí)候保證可見性。

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