ConcurrentHashMap、HashTable、HashMap三兄弟

ConcurrentHashMapHashMapHashTable可以说是师出同门,但却各自“身怀绝技”。他们虽然同为K/V键值对的存储容器,但其内部存储结构却不尽相同,本文针对它们在线程同步中的关系、内部结构进行总结,以便在使用中可以综合比较,选择最适合的工具类。

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HashTable

HashTable是三兄弟中最“老”的,从JDK1.0就存在了,它继承了Dictionary类,作为一个哈希表来使用,其key必须包含hashCode方法和equals方法。在JDK1.2之后,为了将其纳入 Java Collections Framework ,使其实现了Map接口,成为了Map家族的一员。

HashTable的内部实现是通过一个Entry数组存放bucket,当Hash冲突时,采用开链法,在对应的bucket之后添加节点,形成链表。其最终形式如下图:

ConcurrentHashMap、HashTable、HashMap三兄弟

HashTable是线程安全的,它实现的方式是将涉及到修改Hashtable的方法使用synchronized进行修饰,是多个线程在调用同步方法时,实际上其按照串行化方式运行。synchronized底层实际上是通过“对象”来实现的,也就是说,在调用synchronized修饰的方法时,首先需要获取该对象对应的一个锁,退出该方法时,再释放该对象锁。对象锁是和对象一一对应的,因此调用该方法的不同同步方法时,实际上也是串行化执行的。具体的例子就是,当线程A执行put操作,线程B执行get操作,这两个操作是无法并行的,因此HashTable的线程安全实现方式就是,强制多线程对该对象的访问串行化。

HashMap

HashMap从JDK1.2出现,实现了Map接口,是Map家族中使用最多的一个工具类,它改进了HashTable中很多低性能的方法,提供了相对高效的插入、查询操作。但与此同时,它摒弃了线程安全的实现。HashMap在JDK1.8之后引入了红黑树,当一个bucket对应的链表节点数大于8,将其“树化”,以提高查询性能。其最终形式如下图:

ConcurrentHashMap、HashTable、HashMap三兄弟

如图,当bucket[n]对应的链表节点数>8的时候,将其进行树化,生成对应的红黑树。红黑树是一个平衡二叉查找树,能够保证在O(logN)的时间复杂度内找到对应的k值,此时的N代表的是树中所有节点的个数。由于HashMap有rehash机制,当前节点总数超过阈值时,会进行table数组的扩容,因此单个红黑树的节点数不会太多,可以约等于常数,因此保证了在O(1)

的时间内找到key值,满足Hash表的特性。HashMap不是线程安全的,其在rehash的过程中,可能出现死循环,具体可参考 从ConcurrentHashMap的演进看Java多线程核心技术 .

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap,其内部的结构和HashMap非常相像,但为了满足线程安全的同时,提高并发度,内部定义了两个静态类HashEntry和Segment。HashEntry 用来封装映射表的键 / 值对;Segment 用来充当锁的角色,每个 Segment 对象守护整个散列映射表的若干个桶。每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表。一个 ConcurrentHashMap 实例中包含由若干个 Segment 对象组成的数组。其存储结构如图:

ConcurrentHashMap、HashTable、HashMap三兄弟

当需要获取Map中的某个key值对应的value时,需要首先找到对应的Segment,之后在其内部数组查找key的位置,找到之后,返回即可。ConcurrentHashMap利用volatile的内存可见性,基本实现了读时无锁,除非在读取时发现value为null,此时代表发生了重排序,需要尝试获取Segment的锁,重新获取value值即可获得最新value值。其详细原理可以参考 探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制

上面的结构是1.8之前的ConcurrentHashMap,在JDK1.8中,已经不再使用两层数组来存储了,而是直接使用数组+开链法,对于数组的每个元素,使用细粒度锁来完成线程安全。其结构如图:

ConcurrentHashMap、HashTable、HashMap三兄弟

如图所示,JDK1.8之后,ConcurrentHashMap改造为在HashMap的基础上,直接对bucket加锁,当需要为对应的bucket中添加一个节点的时候,使用synchronized语句块,对该bucket入口节点进行加锁,实现线程同步。当读某个key对应的value时,仍然是无需加锁的。

总结

ConcurrentHashMap、HashTable、HashMap三兄弟都实现了Map接口,完成K/V对的存储。在使用中,视场景不同,可以选择不同的类实现,如在单线程的情况下,无需考虑线程安全性问题,直接使用HashMap可以获得很好的性能。在多线程情况下,为了达到线程安全,可以选择HashTable或者ConcurrentHashMap来完成,当Map的数据量很少时,为了实现的方便,可以直接使用HashTable;当K/V对很多时,且读请求占比很大,此时可以使用ConcurrentHashMap来实现,可以达到并发的需求

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