为何 ConcurrentHashMap 的读操做不须要加锁？

做者：上帝爱吃苹果
地址：www.cnblogs.com/keeya/p/9632958.html

咱们知道，ConcurrentHashmap(1.8)这个并发集合框架是线程安全的，当你看到源码的get操做时，会发现get操做全程是没有加任何锁的，这也是这篇博文讨论的问题——为何它不须要加锁呢？

ConcurrentHashMap的简介

我想有基础的同窗知道在jdk1.7中是采用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式进行实现的，而1.8中放弃了Segment臃肿的设计，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现。

• JDK1.8的实现下降锁的粒度，JDK1.7版本锁的粒度是基于Segment的，包含多个HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry（首节点）
• JDK1.8版本的数据结构变得更加简单，使得操做也更加清晰流畅，由于已经使用synchronized来进行同步，因此不须要分段锁的概念，也就不须要Segment这种数据结构了，因为粒度的下降，实现的复杂度也增长了
• JDK1.8使用红黑树来优化链表，基于长度很长的链表的遍历是一个很漫长的过程，而红黑树的遍历效率是很快的，代替必定阈值的链表，这样造成一个最佳拍档

get操做源码

1. 首先计算hash值，定位到该table索引位置，若是是首节点符合就返回
2. 若是遇到扩容的时候，会调用标志正在扩容节点ForwardingNode的find方法，查找该节点，匹配就返回
3. 以上都不符合的话，就往下遍历节点，匹配就返回，不然最后就返回null

//会发现源码中没有一处加了锁
public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode()); //计算hash
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//读取首节点的Node元素
        if ((eh = e.hash) == h) { //若是该节点就是首节点就返回
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        //hash值为负值表示正在扩容，这个时候查的是ForwardingNode的find方法来定位到nextTable来
        //eh=-1，说明该节点是一个ForwardingNode，正在迁移，此时调用ForwardingNode的find方法去nextTable里找。
        //eh=-2，说明该节点是一个TreeBin，此时调用TreeBin的find方法遍历红黑树，因为红黑树有可能正在旋转变色，因此find里会有读写锁。
        //eh>=0，说明该节点下挂的是一个链表，直接遍历该链表便可。
        else if (eh < 0)
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {//既不是首节点也不是ForwardingNode，那就往下遍历
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

get没有加锁的话，ConcurrentHashMap是如何保证读到的数据不是脏数据的呢?

volatile登场

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性、有序性。但不保证原子性。

普通的共享变量不能保证可见性，由于普通共享变量被修改以后，何时被写入主存是不肯定的，当其余线程去读取时，此时内存中可能仍是原来的旧值，所以没法保证可见性。

• volatile关键字对于基本类型的修改能够在随后对多个线程的读保持一致，可是对于引用类型如数组，实体bean，仅仅保证引用的可见性，但并不保证引用内容的可见性。。
• 禁止进行指令重排序。

背景：为了提升处理速度，处理器不直接和内存进行通讯，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其余）后再进行操做，但操做完不知道什么时候会写到内存。

• 若是对声明了volatile的变量进行写操做，JVM就会向处理器发送一条指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。可是，就算写回到内存，若是其余处理器缓存的值仍是旧的，再执行计算操做就会有问题。
• 在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，当某个CPU在写数据时，若是发现操做的变量是共享变量，则会通知其余CPU告知该变量的缓存行是无效的，所以其余CPU在读取该变量时，发现其无效会从新从主存中加载数据。

总结下来：

• 第一：使用volatile关键字会强制将修改的值当即写入主存；
• 第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会致使线程1的工做内存中缓存变量的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
• 第三：因为线程1的工做内存中缓存变量的缓存行无效，因此线程1再次读取变量的值时会去主存读取。

是加在数组上的volatile吗？

/**
 * 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;

咱们知道volatile能够修饰数组的，只是意思和它表面上看起来的样子不一样。举个栗子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是数组元素的值是volatile的。

用volatile修饰的Node

get操做能够无锁是因为Node的元素val和指针next是用volatile修饰的，在多线程环境下线程A修改结点的val或者新增节点的时候是对线程B可见的。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    //能够看到这些都用了volatile修饰
    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修饰数组对get操做没有效果那加在数组上的volatile的目的是什么呢？

其实就是为了使得Node数组在扩容的时候对其余线程具备可见性而加的volatile

总结

• 在1.8中ConcurrentHashMap的get操做全程不须要加锁，这也是它比其余并发集合好比hashtable、用Collections.synchronizedMap()包装的hashmap;安全效率高的缘由之一。
• get操做全程不须要加锁是由于Node的成员val是用volatile修饰的和数组用volatile修饰没有关系。
• 数组用volatile修饰主要是保证在数组扩容的时候保证可见性。

另外，关注公众号Java技术栈，在后台回复：面试，能够获取我整理的 Java 系列面试题和答案，很是齐全。
近期热文推荐：

1.600+ 道 Java面试题及答案整理(2021最新版)

2.终于靠开源项目弄到 IntelliJ IDEA 激活码了，真香！

3.阿里 Mock 工具正式开源，干掉市面上全部 Mock 工具！

4.Spring Cloud 2020.0.0 正式发布，全新颠覆性版本！

5.《Java开发手册（嵩山版）》最新发布，速速下载！

以为不错，别忘了随手点赞+转发哦！