HashMap,Hashtable,ConcurrentHashMap-创新互联

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一、多线程使用HashMap的一些线程安全问题

①造成数据新增丢失

②扩容时候，造成链表成环

二、Hashtable和HashMap的区别 

①核心方法加锁

②其他语法上面的略微差异 

三、引入ConcurrentHashMap【重要】

①ConcurrentHashMap相比于Hashtable的优势

Hashtable的缺点:

ConcurrentHashMap的一些优化措施（jdk1.8往后）

(1)每一个哈希桶，都是一把"锁"

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(2)ConcurrentHashMap不针对get(Object key)方法加锁

(3)ConcurrentHashMap针对部分修改操作，采用了volatile+原子的方式，让写的操作与不加锁的get()方式不会产生锁冲突 

(4)扩容操作的优化

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 这三种数据结构，都是对于哈希表的具体实现。

 有关哈希表的具体设计，我们在前面的文章当中也提到了，关于HashMap的简单源码分析，以及HashMap的具体的一些实现，也在下面这两篇文章当中提到了:

 (1条消息) HashMap简单源码分析_革凡成圣211的博客-博客https://blog.csdn.net/weixin_56738054/article/details/127786631?spm=1001.2014.3001.5501
(1条消息) Java的手写简单的哈希表_革凡成圣211的博客-博客https://blog.csdn.net/weixin_56738054/article/details/127416821?spm=1001.2014.3001.5501

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下面，将重点分析,多线程使用HashMap的一些问题，以及Hashtable、ConcurrentHashMap和HashMap之间的一些区别。

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一、多线程使用HashMap的一些线程安全问题      ①造成数据新增丢失

  因为HashMap当中，并没有涉及任何的加锁操作，因此：当多个线程同时调用put()的时候，有可能在两个键的哈希值一样的时候，之后调用put()的线程新增的值覆盖掉最开始线程新增的值。

  图解：

  

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②扩容时候，造成链表成环

 我们了解到，扩容的操作，实际上是HashMap重现初始化一个原来大小2倍的数组，并且根据新的数组的长度，重新哈希的这样一个过程。

  如果执行并发扩容，那么，很有可能在扩容的时候，让哈希表当中某一个哈希桶的链表变成了一个"环"。那么，也就意味着如果想获取某一个元素，对哈希桶对应位置的链表进行遍历的时候，没有任何一个节点的next指针为null，那么将引发死循环。

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二、Hashtable和HashMap的区别        ①核心方法加锁

  Hashtable的核心方法put()和get()方法被加锁了。因此，Hashtable是线程安全的

  

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②其他语法上面的略微差异 

 (1)HashMap允许null值作为键和值，而Hashtable不允许null作为键和值。

 (2)添加值的哈希算法不同，对于HashMap来说，添加值的哈希算法采用的是内部自定义的一个哈希算法，而Hashtable采用的直接是key.hash()的方式计算出的哈希值。但是负载因子都是0.75.

 (3)初始化的容量不同：HashMap的默认初始容量为16，而Hashtable默认的初始容量为11.

 (4)扩容的方式不同:HashMap采用的是2倍大小的方式扩容，而Hashtable扩容的规则为当前容量*2+1.

 ...这些差异，罗列一部分即可，最重要的还是多线程和单线程的使用环境区别。

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三、引入ConcurrentHashMap【重要】 ①ConcurrentHashMap相比于Hashtable的优势

对于Hashtable来说，它解决线程安全问题的方式，比较"粗鲁”。

Hashtable的缺点:

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 第一:

 Hashtable使用的直接是synchronized修饰核心方法的方式来加锁的，那么，如果两个线程同时只是读取某一个变量的值，根据之前对线程安全问题的概述，如果线程仅仅只是对变量进行读操作而并非写操作，那么并不会发生线程安全问题。

 但是Hashtable即使是在多个线程同时读取某个Entry的值的时候，也照样会造成阻塞等待的情况，因此Hashtable的锁的粒度是比较大的。

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 第二：

 即使是put()、get()操作，发生线程安全问题的前提条件也必须是需要put()的两个键的哈希值相同的情况，也就是，针对同一个哈希桶进行put()或者get()的情况。

 而Hashtable采用的是直接“一棒打死”。无论是否针对同一个哈希桶进行读写操作，只要多个线程同时调用一个map的put()或者get()方法，都会发生阻塞等待的情况。

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ConcurrentHashMap的一些优化措施（jdk1.8往后）      (1)每一个哈希桶，都是一把"锁"

 让每一个哈希桶都是一把锁。当新增元素发生哈希冲突，也就是散列到同一个哈希地址的时候，才会发生锁冲突。

 这样，就有效减少了不必要的锁冲突，减小了锁的粒度

 

观察上面的图：当两个线程同时尝试分别修改同一个哈希地址的1，2节点的时候，会产生阻塞等待的情况。

当两个线程同时修改3，4节点的时候，不会产生阻塞等待。

也就是，只有发生了哈希冲突的时候，才会产生阻塞等待的情况 

观察一下源码:

 

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  对于jdk1.8之前的代码，是采用分段锁的方式进行修改的。也就是，其中的N个哈希桶作为一把锁，如果有线程同时针对这N个为一把锁的哈希桶进行修改操作，会产生锁冲突，造成阻塞等待。

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(2)ConcurrentHashMap不针对get(Object key)方法加锁

由于get()方法是通过key得到对应的value的值的方法，本质上是“读取”操作，当多个线程同时调用get()方法的时候，不存在线程安全问题。

因此，ConcurrentHashMap取消了对于get()方法加锁的机制。

 

这里需要注意的地方是，ConcurrentHashmap当中：

  Ⅰ一个线程读去数据，另外一个线程也同时去读取数据，这个时候不存在线程安全问题，也不存在锁冲突；因为ConcurrentHashMap没有针对get方法加锁

  Ⅱ一个线程去写数据，另外一个线程也去写数据，不存在线程安全问题，但是有可能存在锁冲突;存在锁冲突的前提是两个线程针对同一个哈希桶进行写操作。

  Ⅲ一个线程去读数据，另外一个线程去写数据，不存在线程安全问题，但是有可能产生锁冲突。

  对于第Ⅲ点，如果产生了锁冲突，那么就是意味着两个线程一个对于同一哈希桶进行"读"操作，另外一个针对哈希桶进行"写"操作，并且都是哈希桶有存放元素，也就是需要遍历的时候，才会产生锁冲突。

  如果哈希桶没有存放元素，是null的，那么，请往下面第(3)点查看。

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(3)ConcurrentHashMap针对部分修改操作，采用了volatile+原子的方式，让写的操作变为"原子"的，从而与不加锁的读操作不会产生锁冲突 

 ConcurrentHashMap内部充分利用了CAS，来削减了加锁的次数。

 下面，举几个例子，关于ConcurrentHashMap是如何使用CAS的:

  例子1、当让存放元素之后，个数+1的时候，采用的是CAS的做法来保证数组当中实际存储key的数量+1这个操作的原子性

  

其中,addCount方法内部采用的就是CAS的做法来实现个数+1的原子性的。 

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  例子2、 当对应的HashEntry数组当中，某一个位置不存放任何元素，也就是为null的时候，会采用cas的方式填充到对应的哈希地址。

 

 对于ConcurrentHashMap当中修改key的个数，本质上还是在addCount方法内部，通过CAS的方式来修改

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(4)扩容操作的优化

      回顾一下HashMap或者Hashtable扩容的操作，它们都是创建一个更大容量的数组，然后把每一个元素重新哈希的做法。

  在数据量比较大的时候，会造成可能某次put()之后，线程会阻塞等待很长的时间，才可以完成扩容。

 扩容条件:

 ①当存放Node节点的数组长度小于64，并且单个哈希桶的链表的存放节点个数达到8的时候，会触发扩容；如果存放节点的数组长度>=64，那么会把当前的链表树化为红黑树。

 ②当存储的实际key的数量/Node数组的长度达到负载因子的时候，会触发扩容

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以上两点，和jdk1.8版本的HashMap的扩容前提条件类似，没有太大的差别。

满足上面的条件之后，会进入到下面的操作：

首先申请一个原来数组大小2倍的新数组

如果有多个线程同时尝试扩容，那么，ConcurrentHashMap会对这些线程进行"分工”。何为分工呢？画个图简单看一看:

 也就是，每一个线程，分别对原有的数组上面的元素分别进行"搬运"操作，让它们都被各自的线程重新哈希到新的数组上面的位置，这样的效率会更加的高。

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  同时,如果ConcurrentHashMap如果正在扩容的时候：

  其他线程调用get方法，那么调用的线程会查询旧数组和新的数组当中是否存在对应的key。

  其他线程如果调用remove方法，那么调用的线程会把旧数组和新的数组当中的key都删除掉。

  而不是一直阻塞等待，直到扩容执行完毕。

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