如何线程安全的使用HashMap

前言

Map一直是面试中经常被问到的问题。博主在找工作的过程中，就被问到了这样一个问题：

1. Map是线程安全的吗？
2. 我不考虑使用线程安全的Map(eg：ConcurrentHashMap) 。如何在多线程/高并发下安全使用 HashMap？

当时博主只知道 HashMap是线程不安全的，但是没了解过要如何在多线程下保证 HashMap的安全。于是在面试结束后，我查阅了相关的资料，也进行了对应的 Code。这篇文章，我们就来深入浅出聊一聊以上的两个面试常问题。

1. Map 是线程安全的吗？

首先，我们常见的 Map的实现类有：Hashtable、HashMap、ConcurrentHashMap这三种。

先说结论：得看 Map接口的实现类，Hashtable和ConcurrentHashMap是线程安全的，最常用的HashMap是非线程安全的。

那么，Hashtable 和 ConcurrentHashMap 的区别是什么？

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的方式不同。

• 底层数据结构： JDK1.7 的 ConcurrentHashMap 底层采用 分段的数组+链表 实现，JDK1.8 采用的数据结构跟 HashMap1.8 的结构一样：数组+链表/红黑二叉树。Hashtable 和 JDK1.8 之前的 HashMap 的底层数据结构类似都是采用 数组+链表 的形式，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的；
• 实现线程安全的方式（重要）：
• 到了 JDK1.8 的时候，ConcurrentHashMap 已经摒弃了 Segment 的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。（JDK1.6 以后 synchronized 锁做了很多优化） 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在 JDK1.8 中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本；
• Hashtable(同一把锁) :使用 synchronized 来保证线程安全，效率非常低下。当一个线程访问同步方法时，其他线程也访问同步方法，可能会进入阻塞或轮询状态，如使用 put 添加元素，另一个线程不能使用 put 添加元素，也不能使用 get，竞争会越来越激烈效率越低。

Java 8 中，ConcurrentHashMap 的锁粒度更细，synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要 hash 不冲突，就不会产生并发，就不会影响其他 Node 的读写，效率大幅提升。

2. 如何在多线程/高并发下安全使用 HashMap？

博主提供三种方法来保证线程安全的使用 HashMap

2.1. 配置数据：初始化写，后续只提供读

系统启动之后，我们可以将配置数据加载到本地缓存 HashMap 里 ，这些配置信息初始化之后，就不需要写入了，后续只提供读操作。

上图中显示一个非常简单的配置类SimpleConfig，内部有一个HashMap对象configMap 。

构造函数调用初始化方法，初始化方法内部的逻辑是：将配置数据存储到HashMap中。

SimpleConfig类对外暴露了getConfig方法 ，当main线程初始化SimpleConfig对象之后，当其他线程调用 getConfig方法时，因为只有读，没有写操作，所以是线程安全的。

2.2. 读写锁：写时阻塞，并行读，读多写少场景

读写锁是一把锁分为两部分：读锁和写锁，其中读锁允许多个线程同时获得，而写锁则是互斥锁。

它的规则是：读读不互斥，读写互斥，写写互斥，适用于读多写少的业务场景。

我们一般都使用 ReentrantReadWriteLock ，该类实现了 ReadWriteLock 。ReadWriteLock 接口也很简单，其内部主要提供了两个方法，分别返回读锁和写锁 。

 public interface ReadWriteLock {
    //获取读锁
    Lock readLock();
    //获取写锁
    Lock writeLock();
}

读写锁的使用方式如下所示：

1. 创建 ReentrantReadWriteLock 对象 , 当使用 ReadWriteLock 的时候，并不是直接使用，而是获得其内部的读锁和写锁，然后分别调用 lock / unlock 方法 ;

private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

1. 读取共享数据 ；

// 获取读锁
Lock readLock = readWriteLock.readLock();
readLock.lock();
try {
    // TODO 查询共享数据
} finally {
    readLock.unlock();
}

1. 写入共享数据；

// 获取写锁
Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
writeLock.lock();
try {
    // TODO 修改共享数据
} finally {
    writeLock.unlock();
}

下面的代码展示如何使用 ReadWriteLock 线程安全的使用 HashMap :

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockCache {

    // 创建一个 HashMap 来存储缓存的数据
    private Map<String, String> map = new HashMap<>();

    // 创建读写锁对象
    private ReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();

    // 放对象方法：向缓存中添加一个键值对
    public void put(String key, String value) {
        // 获取写锁，以确保当前操作是独占的
        rw.writeLock().lock();
        try {
            // 执行写操作，将键值对放入 map
            map.put(key, value);
        } finally {
            // 释放写锁
            rw.writeLock().unlock();
        }
    }

    // 取对象方法：从缓存中获取一个值
    public String get(String key) {
        // 获取读锁，允许并发读操作
        rw.readLock().lock();
        try {
            // 执行读操作，从 map 中获取值
            return map.get(key);
        } finally {
            // 释放读锁
            rw.readLock().unlock();
        }
    }
}

使用读写锁操作HashMap是一个非常经典的技巧，消息中间件 `RocketMQ NameServer （名字服务）保存和查询路由信息都是通过这种技巧实现的。

另外，读写锁可以操作多个HashMap，相比ConcurrentHashMap而言，ReadWriteLock可以控制缓存对象的颗粒度，具备更大的灵活性。

2.3. Collections.synchronizedMap : 读写均加锁

我们可以使用 Collections.synchronizedMap()方法来对我们的 HashMap进行加锁保护。

如下所示：

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
       return new SynchronizedMap<>(m);
}

我们点进 SynchronizedMap方法看看源码是如何实现加锁保护的：

SynchronizedMap 内部包含一个对象锁 Object mutex ，它本质上是一个包装类，将HashMap的读写操作重新实现了一次，我们看到每次读写时，都会用synchronized关键字来保证操作的线程安全。

虽然Collections.synchronizedMap这种技巧使用起来非常简单，但是我们需要理解它的每次读写都会加锁，性能并不会特别好。

3. 总结

这篇文章，笔者总结了三种线程安全的使用 HashMap 的技巧。

1、配置数据：初始化写，后续只提供读

中间件在启动时，会读取配置文件，将配置数据写入到 HashMap 中，主线程写完之后，以后不会再有写入操作，其他的线程可以读取，不会产生线程安全问题。

2、读写锁：写时阻塞，并行读，读多写少场景

读写锁是一把锁分为两部分：读锁和写锁，其中读锁允许多个线程同时获得，而写锁则是互斥锁。

它的规则是：读读不互斥，读写互斥，写写互斥，适用于读多写少的业务场景。

使用读写锁操作 HashMap 是一个非常经典的技巧，消息中间件 RockeMQ NameServer （名字服务）保存和查询路由信息都是通过这种技巧实现的。

3、Collections.synchronizedMap : 读写均加锁

Collections.synchronizedMap 方法使用了装饰器模式为线程不安全的 HashMap 提供了一个线程安全的装饰器类 SynchronizedMap。

通过SynchronizedMap来间接的保证对 HashMap 的操作是线程安全，而 SynchronizedMap 底层也是通过 synchronized 关键字来保证操作的线程安全。