java ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList解决并发问题

Wesley13
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ConcurrentHashMap

一、hashtable、hashmap、ConcurrentHashMap

1、线程不安全的HashMap

因为多线程环境下,使用Hashmap进行put操作会引起死循环,导致CPU利用率接近100%,所以在并发情况下不能使用HashMap。

2、效率低下的HashTable

HashTable容器使用synchronized来保证线程安全,但在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法时,其他线程访问HashTable的同步方法时,可能会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行添加元素,线程2不但不能使用put方法添加元素,并且也不能使用get方法来获取元素,所以竞争越激烈效率越低。

3、锁分段技术

HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因,是因为所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁,那假如容器里有多把锁,每一把锁用于锁容器其中一部分数据,那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时,线程间就不会存在锁竞争,从而可以有效的提高并发访问效率,这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术。

二、ConcurrentHashMap的数据结构

ConcurrentHashMap为了提高本身的并发能力,在内部采用了一个叫做Segment的结构,一个Segment其实就是一个类Hash Table的结构,同HashMap一样,Segment包含一个HashEntry数组,数组中的每一个HashEntry既是一个键值对,也是一个链表的头节点。可以说,ConcurrentHashMap是一个二级哈希表。在一个总的哈希表下面,有若干个子哈希表。

ConcurrentHashMap定位一个元素的过程需要进行两次Hash操作,第一次Hash定位到Segment,第二次Hash定位到元素所在的链表的头部,因此,这一种结构的带来的副作用是Hash的过程要比普通的HashMap要长,但是带来的好处是写操作的时候可以只对元素所在的Segment进行加锁即可,不会影响到其他的Segment,这样,在最理想的情况下,ConcurrentHashMap可以最高同时支持Segment数量大小的写操作(刚好这些写操作都非常平均地分布在所有的Segment上),所以,通过这一种结构,ConcurrentHashMap的并发能力可以大大的提高。

三、Segment

Segment继承了ReentrantLock,所以它就是一种可重入锁(ReentrantLock)。在ConcurrentHashMap,一个Segment就是一个子哈希表,Segment里维护了一个HashEntry数组,并发环境下,对于不同Segment的数据进行操作是不用考虑锁竞争的。

四、get、put、remove

Get方法:

1.为输入的Key做Hash运算,得到hash值。

2.通过hash值,定位到对应的Segment对象

3.再次通过hash值,定位到Segment当中数组的具体位置。

Put方法:

1.为输入的Key做Hash运算,得到hash值。

2.通过hash值,定位到对应的Segment对象

3.获取可重入锁

4.再次通过hash值,定位到Segment当中数组的具体位置。

5.插入或覆盖HashEntry对象。

6.释放锁。

Remove方法:

定位元素通put方法,不过这里删除元素的方法不是简单地把待删除元素的前面的一个元素的next指向后面一个就完事了,由于HashEntry中的next是final的,一经赋值以后就不可修改,在定位到待删除元素的位置以后,程序就将待删除元素前面的那一些元素全部复制一遍,然后再一个一个重新接到链表上去

java ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList解决并发问题

五、size()方法

1.遍历所有的Segment。

2.把Segment的元素数量累加起来。

3.把Segment的修改次数累加起来。

4.判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。如果大于,说明统计过程中有修改,重新统计,尝试次数+1;如果不是。说明没有修改,统计结束。

5.如果尝试次数超过阈值,则对每一个Segment加锁,再重新统计。

6.再次判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。由于已经加锁,次数一定和上次相等。

7.释放锁,统计结束。

为了尽量不锁住所有Segment,首先乐观地假设Size过程中不会有修改。当尝试一定次数,才无奈转为悲观锁,锁住所有Segment保证强一致性。

六、jdk1.7和1.8中的区别

JDK1.8的实现已经摒弃了Segment的概念,而是直接用Node数组+链表+红黑树的数据结构来实现,并发控制使用Synchronized和CAS来操作,整个看起来就像是优化过且线程安全的HashMap,虽然在JDK1.8中还能看到Segment的数据结构,但是已经简化了属性,只是为了兼容旧版本

改进一:取消segments字段,直接采用transient volatile HashEntry<K,V>[] table保存数据,采用table数组元素作为锁,从而实现了对每一行数据进行加锁,进一步减少并发冲突的概率。

改进二:将原先table数组+单向链表的数据结构,变更为table数组+单向链表+红黑树的结构。对于hash表来说,最核心的能力在于将key hash之后能均匀的分布在数组中。如果hash之后散列的很均匀,那么table数组中的每个队列长度主要为0或者1。但实际情况并非总是如此理想,虽然ConcurrentHashMap类默认的加载因子为0.75,但是在数据量过大或者运气不佳的情况下,还是会存在一些队列长度过长的情况,如果还是采用单向列表方式,那么查询某个节点的时间复杂度为O(n);因此,对于个数超过8(默认值)的列表,jdk1.8中采用了红黑树的结构,那么查询的时间复杂度可以降低到O(logN),可以改进性能。

CopyOnWriteArrayList

一、arraylist的问题

多线程时,如果遍历过程中另一个线程对list进行插入以后,遍历报错。

二、CopyOnWriteArrayList的实现原理

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候,不直接往当前容器添加,而是先将当前容器进行Copy,复制出一个新的容器,然后新的容器里添加元素,添加完元素之后,再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读,而不需要加锁,因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想,读和写不同的容器。

三、CopyOnWrite的应用场景

CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单,黑名单,商品类目的访问和更新场景,假如我们有一个搜索网站,用户在这个网站的搜索框中,输入关键字搜索内容,但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中,黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时,会检查当前关键字在不在黑名单当中,如果在,则提示不能搜索。

四、缺点

1.内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制,所以在进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,旧的对象和新写入的对象(注意:在复制的时候只是复制容器里的引用,只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里,而旧容器的对象还在使用,所以有两份对象内存)。

2.数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性,不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据,马上能读到,请不要使用CopyOnWrite容器。

五、总结

1.线程安全,读操作时无锁的ArrayList

2.底层数据结构是一个Object[],初始容量为0,之后每增加一个元素,容量+1,数组复制一遍

3.增删改上锁、读不上锁

4.遍历过程由于遍历的只是全局数组的一个副本,即使全局数组发生了增删改变化,副本也不会变化,所以不会发生并发异常

5.读多写少且脏数据影响不大的并发情况下,选择CopyOnWriteArrayList

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