ConcurrentHashMap从jdk1.7到jdk1.8的变化

一、简单回顾ConcurrentHashMap在jdk1.7中的设计

    先简单看下ConcurrentHashMap类在jdk1.7中的设计，其基本结构如图所示：



每一个segment都是一个HashEntry<K,V>[] table， table中的每一个元素本质上都是一个HashEntry的单向队列。比如table[3]为首节点，table[3]->next为节点1，之后为节点2，依次类推。

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V>
implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable {

// 将整个hashmap分成几个小的map，每个segment都是一个锁；与hashtable相比，这么设计的目的是对于put, remove等操作，可以减少并发冲突，对
// 不属于同一个片段的节点可以并发操作，大大提高了性能
final Segment<K,V>[] segments;

// 本质上Segment类就是一个小的hashmap，里面table数组存储了各个节点的数据，继承了ReentrantLock, 可以作为互拆锁使用
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
transient int count;
}

// 基本节点，存储Key， Value值
static final class HashEntry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;
}
}

 

二、在jdk1.8中主要做了2方面的改进

改进一：取消segments字段，直接采用transient volatile HashEntry<K,V>[] table保存数据，采用table数组元素作为锁，从而实现了对每一行数据进行加锁，进一步减少并发冲突的概率。

改进二：将原先table数组＋单向链表的数据结构，变更为table数组＋单向链表＋红黑树的结构。对于hash表来说，最核心的能力在于将key hash之后能均匀的分布在数组中。如果hash之后散列的很均匀，那么table数组中的每个队列长度主要为0或者1。但实际情况并非总是如此理想，虽然ConcurrentHashMap类默认的加载因子为0.75，但是在数据量过大或者运气不佳的情况下，还是会存在一些队列长度过长的情况，如果还是采用单向列表方式，那么查询某个节点的时间复杂度为O(n)；因此，对于个数超过8(默认值)的列表，jdk1.8中采用了红黑树的结构，那么查询的时间复杂度可以降低到O(logN)，可以改进性能。

为了说明以上2个改动，看一下put操作是如何实现的。

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 如果table为空，初始化；否则，根据hash值计算得到数组索引i，如果tab[i]为空，直接新建节点Node即可。注：tab[i]实质为链表或者红黑树的首节点。
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break;                   // no lock when adding to empty bin
}
// 如果tab[i]不为空并且hash值为MOVED，说明该链表正在进行transfer操作，返回扩容完成后的table。
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
// 针对首个节点进行加锁操作，而不是segment，进一步减少线程冲突
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
// 如果在链表中找到值为key的节点e，直接设置e.val = value即可。
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
// 如果没有找到值为key的节点，直接新建Node并加入链表即可。
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
// 如果首节点为TreeBin类型，说明为红黑树结构，执行putTreeVal操作。
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
// 如果节点数>＝8，那么转换链表结构为红黑树结构。
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
// 计数增加1，有可能触发transfer操作(扩容)。
addCount(1L, binCount);
return null;
}

另外，在其他方面也有一些小的改进，比如新增字段 transient volatile CounterCell[] counterCells; 可方便的计算hashmap中所有元素的个数，性能大大优于jdk1.7中的size()方法。

 

三、ConcurrentHashMap
jdk1.7、jdk1.8性能比较

测试程序如下：

public class CompareConcurrentHashMap {
private static ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>(40000);

public static void putPerformance(int index, int num) {
for (int i = index; i < (num + index) ; i++)
map.put(String.valueOf(i), i);
}
public static void getPerformance2() {
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 400000; i++)
map.get(String.valueOf(i));
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("get: it costs " + (end - start) + " ms");
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
final CountDownLatch cdLatch = new CountDownLatch(4);
for (int i = 0; i < 4; i++) {
final int finalI = i;
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
CompareConcurrentHashMap.putPerformance(100000 * finalI, 100000);
cdLatch.countDown();
}
}).start();
}
cdLatch.await();
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("put: it costs " + (end - start) + " ms");
CompareConcurrentHashMap.getPerformance2();
}
}

程序运行多次后取平均值，结果如下：



 

四、Collections.synchronizedList和CopyOnWriteArrayList性能分析

CopyOnWriteArrayList在线程对其进行变更操作的时候，会拷贝一个新的数组以存放新的字段，因此写操作性能很差；而Collections.synchronizedList读操作采用了synchronized，因此读性能较差。以下为测试程序：

public class App {
private static List<String> arrayList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
private static List<String> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<String>();
private static CountDownLatch cdl1 = new CountDownLatch(2);
private static CountDownLatch cdl2 = new CountDownLatch(2);
private static CountDownLatch cdl3 = new CountDownLatch(2);
private static CountDownLatch cdl4 = new CountDownLatch(2);

static class Thread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++)
arrayList.add(String.valueOf(i));
cdl1.countDown();
}
}

static class Thread2 extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++)
copyOnWriteArrayList.add(String.valueOf(i));
cdl2.countDown();
}
}

static class Thread3 extends Thread1 {
@Override
public void run() {
int size = arrayList.size();
for (int i = 0; i < size; i++)
arrayList.get(i);
cdl3.countDown();
}
}

static class Thread4 extends Thread1 {
@Override
public void run() {
int size = copyOnWriteArrayList.size();
for (int i = 0; i < size; i++)
copyOnWriteArrayList.get(i);
cdl4.countDown();
}
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
long start1 = System.currentTimeMillis();
new Thread1().start();
new Thread1().start();
cdl1.await();
System.out.println("arrayList add: " + (System.currentTimeMillis() - start1));

long start2 = System.currentTimeMillis();
new Thread2().start();
new Thread2().start();
cdl2.await();
System.out.println("copyOnWriteArrayList add: " + (System.currentTimeMillis() - start2));

long start3 = System.currentTimeMillis();
new Thread3().start();
new Thread3().start();
cdl3.await();
System.out.println("arrayList get: " + (System.currentTimeMillis() - start3));

long start4 = System.currentTimeMillis();
new Thread4().start();
new Thread4().start();
cdl4.await();
System.out.println("copyOnWriteArrayList get: " + (System.currentTimeMillis() - start4));
}
}

结果如下：