70%的Java程序員不知道為啥 ConcurrentHashMap 讀操作不需要加鎖？

作者：上帝愛吃蘋果

目錄

1.ConcurrentHashMap的簡介
2.get操作源碼
3.volatile登場
4.是加在數組上的volatile嗎?
5.用volatile修飾的Node
6.總結

我們知道，ConcurrentHashmap(1.8)這個并發集合框架是線程安全的，當你看到源碼的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——為什么它不需要加鎖呢？

ConcurrentHashMap的簡介
我想有基礎的同學知道在jdk1.7中是采用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式進行實現的，而1.8中放棄了Segment臃腫的設計，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized來保證并發安全進行實現。
JDK1.8的實現降低鎖的粒度，JDK1.7版本鎖的粒度是基于Segment的，包含多個HashEntry，而JDK1.8鎖的粒度就是HashEntry（首節點）
JDK1.8版本的數據結構變得更加簡單，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這種數據結構了，由于粒度的降低，實現的復雜度也增加了
JDK1.8使用紅黑樹來優化鏈表，基于長度很長的鏈表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，代替一定閾值的鏈表，這樣形成一個最佳拍檔

get操作源碼
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，會調用標志正在擴容節點ForwardingNode的find方法，查找該節點，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，否則最后就返回null

//會發現源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，此時調用ForwardingNode的find方法去nextTable里找。
 //eh=-2，說明該節點是一個TreeBin，此時調用TreeBin的find方法遍歷紅黑樹，由于紅黑樹有可能正在旋轉變色，所以find里會有讀寫鎖。
 //eh>=0，說明該節點下掛的是一個鏈表，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是如何保證讀到的數據不是臟數據的呢？
volatile登場
對于可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性、有序性。但不保證原子性。
普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。
volatile關鍵字對于基本類型的修改可以在隨后對多個線程的讀保持一致，但是對于引用類型如數組，實體bean，僅僅保證引用的可見性，但并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，處理器不直接和內存進行通信，而是先將系統內存的數據讀到內部緩存（L1，L2或其他）后再進行操作，但操作完不知道何時會寫到內存。
如果對聲明了volatile的變量進行寫操作，JVM就會向處理器發送一條指令，將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統內存。但是，就算寫回到內存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，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緩存是一致的，就會實現緩存一致性協議，當某個CPU在寫數據時，如果發現操作的變量是共享變量，則會通知其他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，發現其無效會重新從主存中加載數據。

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，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內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緩存中對應的緩存行無效）；
第三：由于線程1的工作內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會去主存讀取。

是加在數組上的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<K,V>[] table;

我們知道volatile可以修飾數組的，只是意思和它表面上看起來的樣子不同。舉個栗子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是數組元素的值是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，在多線程環境下線程A修改結點的val或者新增節點的時候是對線程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 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修飾數組對get操作沒有效果那加在數組上的volatile的目的是什么呢？
其實就是為了使得Node數組在擴容的時候對其他線程具有可見性而加的volatile

總結
在1.8中ConcurrentHashMap的get操作全程不需要加鎖，這也是它比其他并發集合比如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修飾的和數組用volatile修飾沒有關系。
數組用volatile修飾主要是保證在數組擴容的時候保證可見性。

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