在分析 HashMap 源碼時(shí)還遺留這兩個(gè)問題，這次我們站在 Java 多線程內(nèi)存模型和 synchronized 的實(shí)現(xiàn)原理，這兩個(gè)角度來徹底分析一下。至于 JDK 1.8 的紅黑樹不是本文探討的內(nèi)容。 1. Java 多線程內(nèi)存模型 五個(gè)線程同時(shí)往 HashMap 中 put 數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象，大概率會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，小概率會(huì)出現(xiàn)死循環(huán)，我們不妨寫個(gè)測(cè)試代碼自己驗(yàn)證一下。那為什么會(huì)出現(xiàn)這兩種現(xiàn)象，我們先來回顧一下之前的Java 多線程內(nèi)存模型。請(qǐng)看圖： Java內(nèi)存模型中規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量到主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同線程之間無法直接訪問對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內(nèi)存來完成，線程、主內(nèi)存和工作內(nèi)存的交互關(guān)系如上圖所示。 現(xiàn)在我們來想象一下，假設(shè)線程 1 把數(shù)據(jù)讀到了自己的工作內(nèi)存中，在 tab 角標(biāo)為 1 的鏈表頭插入了一條新的數(shù)據(jù)，倘若這時(shí)還沒來得及將新增的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)中。接著線程 2 就把數(shù)據(jù)讀到了自己的工作內(nèi)存中，在 tab 角標(biāo)為 1 的鏈表頭插入了一條新的數(shù)據(jù)。接著線程 1 把新增數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存中，線程 2 也把數(shù)據(jù)新增數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存中，那么線程 2 就會(huì)覆蓋線程 1 的新增數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況。這里需要注意的是，只有兩個(gè)線程都是操作 tab 的同一個(gè) index 鏈表才會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況，如果不是同一個(gè) index 鏈表就不會(huì)有覆蓋和丟失這一說。 2. synchronized 的底層實(shí)現(xiàn)原理關(guān)于 HashMap 的線程不安全問題，Java 給我們提供了三種方案，第一種是 HashTable ，第二種是 Collections.synchronizedMap() ，第三種是 ConcurrentHashMap 。而第一種和第二種都是通過用 synchronized 同步方法來保證線程安全，性能上有所欠缺不推薦大家使用。ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 之前采用的是 Segment 分段鎖來實(shí)現(xiàn)的，而 JDK 1.8 之后則采用 synchronized 和 CAS 來實(shí)現(xiàn)。 HashTable 通過鎖住整個(gè) put 和 get 方法來實(shí)現(xiàn)線程安全并不是很合理，因?yàn)橐粋€(gè)線程在 put 的時(shí)候，另外一個(gè)線程不能再 put 和 get 必須進(jìn)入等待狀態(tài)。同理一個(gè)線程在 get 的時(shí)候，另外一個(gè)線程也不能再 get 和 put 。上面通過分析只有兩個(gè)線程都是操作 tab 的同一個(gè) index 鏈表才會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況，如果不是同一個(gè) index 鏈表就不會(huì)有覆蓋和丟失這一說。因此也沒必要鎖住整個(gè)方法，只需要鎖住每個(gè) tab 的 index 鏈即可。 ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 之前采用的是 Segment 繼承自 ReentrantLock 來鎖住 tab 的 index 鏈，而 JDK 1.8 之后則采用 synchronized 來實(shí)現(xiàn)，這兩者又有什么區(qū)別？我們首先看下 synchronized 的底層是怎么實(shí)現(xiàn)線程安全的。Java中的每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖。具體表現(xiàn)有以下3種形式。 // 1.對(duì)于普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。this 我們可能會(huì)想鎖到底存在哪里呢？鎖里面會(huì)存儲(chǔ)什么信息呢？其實(shí) synchronized 同步的代碼塊，虛擬機(jī)在同步代碼塊開始前會(huì)插入一條 monitorenter 指令，在代碼塊的末尾會(huì)插入一條 monitorexit 指令。而每個(gè)對(duì)象的 Mark Word 頭信息里都會(huì)存儲(chǔ) Monitor 信息，也就是當(dāng)前對(duì)象的鎖信息，當(dāng)然 Mark Word 頭信息還包含對(duì)象的 hashCode 和 GC 的分代年齡，具體請(qǐng)看下表： Lock 的實(shí)現(xiàn)原理和 synchronized 有些類似，都是通過線程的原子性來保證線程同步，具體的實(shí)現(xiàn)的方式大家可以去看下 ReentrantLock 的源碼實(shí)現(xiàn)。那為什么在 JDK 1.8 之后要采用 synchronized 和 CAS 來實(shí)現(xiàn)？在 JDK 1.6 為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”，級(jí)別從低到高依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。當(dāng)線程 1 進(jìn)入同步代碼塊遇到 monitorenter 指令，首先判斷鎖的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)是 0 ，采用 CAS 將鎖的狀態(tài)設(shè)置為 1，偏向鎖設(shè)置為 1，鎖的標(biāo)致位設(shè)置為 1 ，繼續(xù)執(zhí)行同步代碼塊里面的指令。這是若線程 2 也來到了同步代碼塊，也會(huì)遇到 monitorenter 指令，首先判斷鎖的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)是 1 進(jìn)入等待中，等線程 1 執(zhí)行完同步代碼塊遇到 monitorenter 指令，首先會(huì)清空鎖的狀態(tài)然后喚醒線程 2 。如此反復(fù)即可保證線程安全。 偏向鎖 大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。當(dāng)一個(gè)線程訪問同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程 ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要進(jìn)行 CAS 操作來加鎖和解鎖，只需簡(jiǎn)單地測(cè)試一下對(duì)象頭的 Mark Word 里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。如果測(cè)試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖。如果測(cè)試失敗，則需要再測(cè)試一下 Mark Word 中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖）：如果沒有設(shè)置，則使用 CAS 競(jìng)爭(zhēng)鎖；如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對(duì)象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程。 輕量級(jí)鎖 線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM 會(huì)先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭中的 Mark Word 復(fù)制到鎖記錄中。然后線程嘗試使用 CAS 將對(duì)象頭中的 Mark Word 替換為指向鎖記錄的針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。 重量級(jí)鎖 輕量級(jí)鎖采用自旋的方式不斷的嘗試獲取鎖，如果長(zhǎng)時(shí)間獲取不到鎖勢(shì)必會(huì)不斷消耗 CPU 的資源。所以當(dāng)線程競(jìng)爭(zhēng)比較激烈或者線程遲遲獲取不到鎖，就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)的鎖狀態(tài)，此時(shí)線程是阻塞的，且響應(yīng)時(shí)間緩慢。 3. ConcurrentHashMap 源碼分析// volatile 保證可見性 最后值得一提的是 table 和 Node 對(duì)象中的 next 和 val 都是采用 volatile 來修飾的。 本文轉(zhuǎn)載自【程序員大咖】 |
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