為什麼 ConcurrentHashMap 的讀操作不需要加鎖？

你丫才CRUD發表於2020-12-21
HashMap

前言

我們知道，ConcurrentHashmap(1.8)這個併發集合框架是執行緒安全的，當你看到原始碼的get操作時，會發現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——為什麼它不需要加鎖呢？

為什麼 ConcurrentHashMap 的讀操作不需要加鎖？

ConcurrentHashMap的簡介

“我想有基礎的同學知道在jdk1.7中是採用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式進行實現的，而1.8中放棄了Segment臃腫的設計，取而代之的是採用Node + CAS + Synchronized來保證併發安全進行實現。

JDK1.8的實現降低鎖的粒度，JDK1.7版本鎖的粒度是基於Segment的，包含多個HashEntry，而JDK1.8鎖的粒度就是HashEntry（首節點）

JDK1.8版本的資料結構變得更加簡單，使得操作也更加清晰流暢，因為已經使用synchronized來進行同步，所以不需要分段鎖的概念，也就不需要Segment這種資料結構了，由於粒度的降低，實現的複雜度也增加了

JDK1.8使用紅黑樹來優化連結串列，基於長度很長的連結串列的遍歷是一個很漫長的過程，而紅黑樹的遍歷效率是很快的，代替一定閾值的連結串列，這樣形成一個最佳拍檔

get操作原始碼

首先計算hash值，定位到該table索引位置，如果是首節點符合就返回
如果遇到擴容的時候，會呼叫標誌正在擴容節點ForwardingNode的find方法，查詢該節點，匹配就返回
以上都不符合的話，就往下遍歷節點，匹配就返回，否則最後就返回null

//會發現原始碼中沒有一處加了鎖
public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode()); //計算hash
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//讀取首節點的Node元素
        if ((eh = e.hash) == h) { //如果該節點就是首節點就返回
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        //hash值為負值表示正在擴容，這個時候查的是ForwardingNode的find方法來定位到nextTable來
        //eh=-1，說明該節點是一個ForwardingNode，正在遷移，此時呼叫ForwardingNode的find方法去nextTable裡找。
        //eh=-2，說明該節點是一個TreeBin，此時呼叫TreeBin的find方法遍歷紅黑樹，由於紅黑樹有可能正在旋轉變色，所以find裡會有讀寫鎖。
        //eh>=0，說明該節點下掛的是一個連結串列，直接遍歷該連結串列即可。
        else if (eh < 0)
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {//既不是首節點也不是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是如何保證讀到的資料不是髒資料的呢？

volatile登場

對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性、有序性。但不保證原子性。

普通的共享變數不能保證可見性，因為普通共享變數被修改之後，什麼時候被寫入主存是不確定的，當其他執行緒去讀取時，此時記憶體中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

volatile關鍵字對於基本型別的修改可以在隨後對多個執行緒的讀保持一致，但是對於引用型別如陣列，實體bean，僅僅保證引用的可見性，但並不保證引用內容的可見性。。
禁止進行指令重排序。
背景：為了提高處理速度，處理器不直接和記憶體進行通訊，而是先將系統記憶體的資料讀到內部快取（L1，L2或其他）後再進行操作，但操作完不知道何時會寫到記憶體。

如果對宣告瞭volatile的變數進行寫操作，JVM就會向處理器傳送一條指令，將這個變數所在快取行的資料寫回到系統記憶體。但是，就算寫回到記憶體，如果其他處理器快取的值還是舊的，再執行計算操作就會有問題。
在多處理器下，為了保證各個處理器的快取是一致的，就會實現快取一致性協議，當某個CPU在寫資料時，如果發現操作的變數是共享變數，則會通知其他CPU告知該變數的快取行是無效的，因此其他CPU在讀取該變數時，發現其無效會重新從主存中載入資料。

總結下來：

第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；

第二：使用volatile關鍵字的話，當執行緒2進行修改時，會導致執行緒1的工作記憶體中快取變數的快取行無效（反映到硬體層的話，就是CPU的L1或者L2快取中對應的快取行無效）；

第三：由於執行緒1的工作記憶體中快取變數的快取行無效，所以執行緒1再次讀取變數的值時會去主存讀取。

是加在陣列上的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<K,V>[] table;

我們知道volatile可以修飾陣列的，只是意思和它表面上看起來的樣子不同。舉個例子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是陣列元素的值是volatile的.

用volatile修飾的Node

get操作可以無鎖是由於Node的元素val和指標next是用volatile修飾的，在多執行緒環境下執行緒A修改結點的val或者新增節點的時候是對執行緒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 Node<K,V> next;

    Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        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.
     */
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        Node<K,V> e = 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修飾陣列對get操作沒有效果那加在陣列上的volatile的目的是什麼呢？
其實就是為了使得Node陣列在擴容的時候對其他執行緒具有可見性而加的volatile

總結

在1.8中ConcurrentHashMap的get操作全程不需要加鎖，這也是它比其他併發集合比如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為Node的成員val是用volatile修飾的和陣列用volatile修飾沒有關係。

陣列用volatile修飾主要是保證在陣列擴容的時候保證可見性。

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