一.Java并發(fā)基礎

當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，關鍵就是對i加1的這個過程不是原子操作。要想對i進行遞增， ***步就是獲取i的值，當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相關操作配合進行。

多線程中幾個重要的概念:

可見性

也就說假設一個對象中有一個變量i，那么i是保存在main memory中的，當某一個線程要操作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：

• 當一個線程運行結束的時候，所有寫的變量都會被flush回main memory中。

• 當一個線程***次讀取某個變量的時候，會從main memory中讀取***的。

• volatile的變量會被立刻寫到main memory中的，在jsr133中，對volatile的語義進行增強，后面會提到

• 當一個線程釋放鎖后，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進行自增操作（i，j的操作不相互依賴）

i++;
j++;

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，當線程A運行結束的后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，當然計算機也不能幫你亂排序，存在上下邏輯關聯(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

if(j==1) { 
    System.out.println(i); 
} 

按照我們的思維方式，當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進行詳細解釋了,詳細的請看這里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

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表結構做鎖定操作的，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)結構 ConcurrentHashMap的目標是實現(xiàn)支持高并發(fā)、高吞吐量的線程安全的HashMap。當然不能直接對整個hashtable加鎖，所以在ConcurrentHashMap中，數(shù)據(jù)的組織結構和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所對應的segment去做的，所以當幾個操作不在同一個segment的時候就可以并發(fā)的進行。

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。

/** 
         * 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。

public V get(Object key) { 
        int hash = hash(key.hashCode()); 
        return segmentFor(hash).get(key, hash); 
    } 
 
也是使用了對應的segment的get 
 
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，我們可以認為對應的hashtable是***的，當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對應的value為null，這個時候可能會有其他線程正在對這個元素進行寫操作，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。

其他相關涉及讀取的操作也都類似。