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SynchronizedMap和ConcurrentHashMap的深入分析

(2010-04-03 14:13:59)
标签:

it

分类: 数据编程

在开始之前,先介绍下Map是什么?

javadoc中对Map的解释如下:

An object that maps keys to values . A map cannot contain duplicate keys; each key can map to at most one value.

This interface takes the place of the Dictionary class, which was a totally abstract class rather than an interface.

The Map interface provides three collection views, which allow a map's contents to be viewed as a set of keys, collection of values, or set of key-value mappings.

 从上可知,Map用于存储“key-value”元素对,它将一个key映射到一个而且只能是唯一的一个value。

Map可以使用多种实现方式,HashMap的实现采用的是hash表;而TreeMap采用的是红黑树。

 

1. Hashtable 和 HashMap

这两个类主要有以下几方面的不同:

    Hashtable和HashMap都实现了Map接口,但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类。

 

    在HashMap中,null可以作为键,这样的键只有一个;可以有一个或多个键所对应的值为null。 当get()方法返回null值时,即可以表示 HashMap中没有该键,也可以表示该键所对应的值为null。因此,在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键,而应该用containsKey()方法来判断。而在Hashtable中,无论是key还是value都不能为null

 

   这两个类最大的不同在于Hashtable是线程安全的,它的方法是同步了的,可以直接用在多线程环境中。而HashMap则不是线程安全的。在多线程环境中,需要手动实现同步机制。因此,在Collections类中提供了一个方法返回一个同步版本的HashMap用于多线程的环境:

 

Java代码
  1. public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {   
  2.     return new SynchronizedMap<K,V>(m);   
  3.   
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
        return new SynchronizedMap<K,V>(m);
 }

该方法返回的是一个SynchronizedMap 的实例。SynchronizedMap类是定义在Collections中的一个静态内部类。它实现了Map接口,并对其中的每一个方法实现,通过synchronized 关键字进行了同步控制。

 

2. 潜在的线程安全问题

上面提到Collections为HashMap提供了一个并发版本SynchronizedMap。这个版本中的方法都进行了同步,但是这并不等于这个类就一定是线程安全的。在某些时候会出现一些意想不到的结果。

如下面这段代码:

Java代码
  1. // shm是SynchronizedMap的一个实例   
  2. if(shm.containsKey('key')){   
  3.         shm.remove(key);   
  4.  
// shm是SynchronizedMap的一个实例
if(shm.containsKey('key')){
        shm.remove(key);
}

 这段代码用于从map中删除一个元素之前判断是否存在这个元素。这里的containsKey和reomve方法都是同步的,但是整段代码却不是。考虑这么一个使用场景:线程A执行了containsKey方法返回true,准备执行remove操作;这时另一个线程B开始执行,同样执行了containsKey方法返回true,并接着执行了remove操作;然后线程A接着执行remove操作时发现此时已经没有这个元素了。要保证这段代码按我们的意愿工作,一个办法就是对这段代码进行同步控制,但是这么做付出的代价太大。

 

在进行迭代时这个问题更改明显。Map集合共提供了三种方式来分别返回键、值、键值对的集合:

Java代码
  1. Set<K> keySet();   
  2.   
  3. Collection<V> values();   
  4.   
  5. Set<Map.Entry<K,V>> entrySet();  
Set<K> keySet();

Collection<V> values();

Set<Map.Entry<K,V>> entrySet();

 在这三个方法的基础上,我们一般通过如下方式访问Map的元素:

Java代码
  1. Iterator keys map.keySet().iterator();   
  2.   
  3. while(keys.hasNext()){   
  4.         map.get(keys.next());   
  5.  
Iterator keys = map.keySet().iterator();

while(keys.hasNext()){
        map.get(keys.next());
}

 

在这里,有一个地方需要注意的是:得到的keySet和迭代器都是Map中元素的一个“视图”,而不是“副本” 。问题也就出现在这里,当一个线程正在迭代Map中的元素时,另一个线程可能正在修改其中的元素。此时,在迭代元素时就可能会抛出 ConcurrentModificationException异常。为了解决这个问题通常有两种方法,一是直接返回元素的副本,而不是视图。这个可以通过

集合类的 toArray() 方法实现,但是创建副本的方式效率比之前有所降低,特别是在元素很多的情况下;另一种方法就是在迭代的时候锁住整个集合,这样的话效率就更低了。


3. 更好的选择:ConcurrentHashMap

java5中新增了ConcurrentMap接口和它的一个实现类ConcurrentHashMap。ConcurrentHashMap提供了和Hashtable以及SynchronizedMap中所不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表,从而同一时刻只能由一个线程对其进行操作;而ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶,诸如get,put,remove等常用操作只锁当前需要用到的桶。这样,原来只能一个线程进入,现在却能同时有16个写线程执行,并发性能的提升是显而易见的。

 

上面说到的16个线程指的是写线程,而读操作大部分时候都不需要用到锁。只有在size等操作时才需要锁住整个hash表。

 

在迭代方面,ConcurrentHashMap使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中,当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException,取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据iterator完成后再将头指针替换为新的数据 ,这样iterator线程可以使用原来老的数据,而写线程也可以并发的完成改变。

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