一.Java并發(fā)基礎(chǔ)
當(dāng)一個對象或變量可以被多個線程共享的時候，就有可能使得程序的邏輯出現(xiàn)問題。
在一個對象中有一個變量i=0，有兩個線程A，B都想對i加1，這個時候便有問題顯現(xiàn)出來，關(guān)鍵就是對i加1的這個過程不是原子操作。要想對i進(jìn)行遞增，
第一步就是獲取i的值，當(dāng)A獲取i的值為0，在A將新的值寫入A之前，B也獲取了A的值0，然后A寫入，i變成1，然后B也寫入i，i這個時候依然是1.
當(dāng)然java的內(nèi)存模型沒有上面這么簡單，在Java Memory Model中，Memory分為兩類，
main memory和working memory，main memory為所有線程共享，working
memory中存放的是線程所需要的變量的拷貝（線程要對main memory中的內(nèi)容進(jìn)行操作的話，首先需要拷貝到自己的working
memory，一般為了速度，working
memory一般是在cpu的cache中的）。volatile的變量在被操作的時候不會產(chǎn)生working
memory的拷貝，而是直接操作main
memory，當(dāng)然volatile雖然解決了變量的可見性問題，但沒有解決變量操作的原子性的問題，這個還需要synchronized或者CAS相關(guān)
操作配合進(jìn)行。
多線程中幾個重要的概念:
可見性
也就說假設(shè)一個對象中有一個變量i，那么i是保存在main memory中的，當(dāng)某一個線程要操作i的時候，首先需要從main
memory中將i 加載到這個線程的working memory中，這個時候working
memory中就有了一個i的拷貝，這個時候此線程對i的修改都在其working memory中，直到其將i從working
memory寫回到main memory中，新的i的值才能被其他線程所讀取。從某個意義上說，可見性保證了各個線程的working
memory的數(shù)據(jù)的一致性。
可見性遵循下面一些規(guī)則：
- 當(dāng)一個線程運行結(jié)束的時候，所有寫的變量都會被flush回main memory中。
- 當(dāng)一個線程第一次讀取某個變量的時候，會從main memory中讀取最新的。
- volatile的變量會被立刻寫到main memory中的，在jsr133中，對volatile的語義進(jìn)行增強，后面會提到
- 當(dāng)一個線程釋放鎖后，所有的變量的變化都會flush到main memory中，然后一個使用了這個相同的同步鎖的進(jìn)程，將會重新加載所有的使用到的變量，這樣就保證了可見性。
原子性
還拿上面的例子來說，原子性就是當(dāng)某一個線程修改i的值的時候，從取出i到將新的i的值寫給i之間不能有其他線程對i進(jìn)行任何操作。也就是說保證某個線程對i的操作是原子性的，這樣就可以避免數(shù)據(jù)臟讀。
通過鎖機制或者CAS（Compare And Set 需要硬件CPU的支持）操作可以保證操作的原子性。
有序性
假設(shè)在main memory中存在兩個變量i和j，初始值都為0，在某個線程A的代碼中依次對i和j進(jìn)行自增操作（i，j的操作不相互依賴），
由于，所以i,j修改操作的順序可能會被重新排序。那么修改后的ij寫到main memory中的時候，順序可能就不是按照i，j的順序了，這就是所謂的reordering，
在單線程的情況下，當(dāng)線程A運行結(jié)束的后i，j的值都加1了，在線程自己看來就好像是線程按照代碼的順序進(jìn)行了運行（這些操作都是基于as-if-
serial語義的），即使在實際運行過程中，i，j的自增可能被重新排序了，當(dāng)然計算機也不能幫你亂排序，存在上下邏輯關(guān)聯(lián)的運行順序肯定還是不會變
的。但是在多線程環(huán)境下，問題就不一樣了，比如另一個線程B的代碼如下
|
1
2
3
|
if(j==1) {
System.out.println(i);
} |
按照我們的思維方式，當(dāng)j為1的時候那么i肯定也是1，因為代碼中i在j之前就自增了，但實際的情況有可能當(dāng)j為1的時候i還是為0。這就是
reordering產(chǎn)生的不好的后果，所以我們在某些時候為了避免這樣的問題需要一些必要的策略，以保證多個線程一起工作的時候也存在一定的次序。
JMM提供了happens-before 的排序策略。這樣我們可以得到多線程環(huán)境下的as-if-serial語義。
這里不對happens-before進(jìn)行詳細(xì)解釋了,詳細(xì)的請看這里http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp03304/，這里主要講一下volatile在新的java內(nèi)存模型下的變化，在jsr133之前，下面的代碼可能會出現(xiàn)問題
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
|
Map configOptions;
char[] configText;
volatile boolean initialized = false;
// In Thread A
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
// In Thread B
while (!initialized)
sleep();
// use configOptions
|
jsr133之前，雖然對 volatile 變量的讀和寫不能與對其他 volatile 變量的讀和寫一起重新排序，但是它們?nèi)匀豢梢耘c對
nonvolatile 變量的讀寫一起重新排序，所以上面的Thread
A的操作，就可能initialized變成true的時候，而configOptions還沒有被初始化，所以initialized先于
configOptions被線程B看到，就產(chǎn)生問題了。
JSR 133 Expert Group 決定讓 volatile
讀寫不能與其他內(nèi)存操作一起重新排序，新的內(nèi)存模型下，如果當(dāng)線程 A 寫入 volatile 變量 V 而線程 B 讀取 V 時，那么在寫入 V
時，A 可見的所有變量值現(xiàn)在都可以保證對 B 是可見的。
結(jié)果就是作用更大的 volatile 語義，代價是訪問 volatile 字段時會對性能產(chǎn)生更大的影響。這一點在ConcurrentHashMap中的統(tǒng)計某個segment元素個數(shù)的count變量中使用到了。
二.線程安全的HashMap
什么時候我們需要使用線程安全的hashmap呢，比如一個hashmap在運行的時候只有讀操作，那么很明顯不會有問題，但是當(dāng)涉及到同時有改變
也有讀的時候，就要考慮線程安全問題了，在不考慮性能問題的時候，我們的解決方案有Hashtable或者
Collections.synchronizedMap(hashMap)，這兩種方式基本都是對整個hash表結(jié)構(gòu)做鎖定操作的，這樣在鎖表的期間，
別的線程就需要等待了，無疑性能不高。
三.ConcurrentHashMap實現(xiàn)原理
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
ConcurrentHashMap的目標(biāo)是實現(xiàn)支持高并發(fā)、高吞吐量的線程安全的HashMap。當(dāng)然不能直接對整個hashtable加鎖，所以在ConcurrentHashMap中，數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)和HashMap有所區(qū)別。
一個ConcurrentHashMap由多個segment組成，每一個segment都包含了一個HashEntry數(shù)組的hashtable，
每一個segment包含了對自己的hashtable的操作，比如get，put，replace等操作，這些操作發(fā)生的時候，對自己的
hashtable進(jìn)行鎖定。由于每一個segment寫操作只鎖定自己的hashtable，所以可能存在多個線程同時寫的情況，性能無疑好于只有一個
hashtable鎖定的情況。
源碼分析
在ConcurrentHashMap的remove，put操作還是比較簡單的，都是將remove或者put操作交給key所對應(yīng)的segment去做的，所以當(dāng)幾個操作不在同一個segment的時候就可以并發(fā)的進(jìn)行。
|
1
2
3
4
|
public V remove( Object key) {
int hash = hash(key.hashCode());
return segmentFor(hash).remove(key, hash, null);
} |
而segment中的remove操作除了加鎖之外和HashMap中的remove操作基本無異。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
|
/**
* Remove; match on key only if value null, else match both.
*/
V remove( Object key, int hash, Object value) {
lock();
try {
int c = count - 1;
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = hash & (tab.length - 1);
HashEntry<K,V> first = tab[index];
HashEntry<K,V> e = first;
while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
e = e.next;
V oldValue = null;
if (e != null) {
V v = e.value;
if (value == null || value.equals(v)) {
oldValue = v;
// All entries following removed node can stay
// in list, but all preceding ones need to be
// cloned.
++modCount;
HashEntry<K,V> newFirst = e.next;
for (HashEntry<K,V> p = first; p != e; p = p.next)
newFirst = new HashEntry<K,V>(p.key, p.hash,
newFirst, p.value);
tab[index] = newFirst;
count = c; // write-volatile
}
}
return oldValue;
} finally {
unlock();
}
}
|
上面的代碼中關(guān)于volatile類型的變量count值得一提，這里充分利用了Java 5中對volatile語義的增強，count = c的操作必須在modCount，table等操作的后面，這樣才能保證這些變量操作的可見性。
Segment類繼承于ReentrantLock，主要是為了使用ReentrantLock的鎖，ReentrantLock的實現(xiàn)比
synchronized在多個線程爭用下的總體開銷小。
put操作和remove操作類似。
接下來我們來看下get操作。
|
1
2
3
4
|
public V get( Object key) {
int hash = hash(key.hashCode());
return segmentFor(hash).get(key, hash);
} |
也是使用了對應(yīng)的segment的get
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
|
V get( Object key, int hash) {
if (count != 0) { // read-volatile
HashEntry<K,V> e = getFirst(hash);
while (e != null) {
if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
V v = e.value;
if (v != null)
return v;
return readValueUnderLock(e); // recheck
}
e = e.next;
}
}
return null;
} |
上面的代碼中，一開始就對volatile變量count進(jìn)行了讀取比較，這個還是java5對volatile語義增強的作用，這樣就可以獲取變
量的可見性。所以count !=
0之后，我們可以認(rèn)為對應(yīng)的hashtable是最新的，當(dāng)然由于讀取的時候沒有加鎖，在get的過程中，可能會有更新。當(dāng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)key去找元素的時
候，但發(fā)現(xiàn)找得的key對應(yīng)的value為null，這個時候可能會有其他線程正在對這個元素進(jìn)行寫操作，所以需要在使用鎖的情況下在讀取一下
value，以確保最終的值。
其他相關(guān)涉及讀取的操作也都類似。