透彻学习 JDK 7:ConcurrentHashMap 的分段锁

并发容器不只是给整个 Map 加一把锁。

edyang · 2013-07-15

并发容器不只是给整个 Map 加一把锁。Java 7 的分段结构提供了不同的并发访问边界。

本文使用JDK 7,示例为方法体或类定义片段。源码学习需要区分语言规则、公共接口约定与某个版本的实现。本文把讨论范围固定在 Java 7,不把后续版本的集合结构或语法写进来。

1. 从现象推到机制

Java 7 ConcurrentHashMap 的更新锁粒度落在分段上,不同段可以并发更新。线程安全的方法不意味着多个方法组合后仍是原子操作。先 containsKey 再 put 存在间隙,putIfAbsent 才表达条件写入。

透彻学习 JDK 7:ConcurrentHashMap 的分段锁的处理、反馈与观察关系

图中的四个节点分别表示并发请求、分段容器、条件写入、对象使用。顺着实线检查输入如何变成输出,再沿虚线核对反馈条件。图示表达的是本文讨论的关系,不是实测曲线或现场截图。

2. 最小实现与输入条件

做一个缓存初始化例子,让多个线程同时尝试放入同一键。需要判断返回的旧值,并避免把“只有一个值写入”误认为初始化函数只运行一次。

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Value created = loadValue();
Value old = cache.putIfAbsent(key, created);
Value actual = old == null ? created : old;

将片段放入独立的小工程,补齐 imports(导入声明)和调用入口。观察返回值、异常类型及对象状态;并发实验需要重复交错,单次没有出错不能证明线程安全。

3. 用对照区分原因

下表列出需要主动改变的条件。预期行为来自机制分析,复现时还需记录运行环境和原始输出,不能将预期当作已经测得的结果。

改变的条件 需要验证的行为
不同线程首次写相同键 只有一个映射成为最终值
初始化函数有外部副作用 副作用可能执行多次
复合执行读取再修改 仍需要专门的原子协议

对照 1:不同线程首次写相同键

只有一个映射成为最终值。观察时记录putIfAbsent 返回的旧值。把这个条件与基准情形分开,有助于判断变化来自哪一层;若得到相反结果,应先核对前提,再修改实现。

对照 2:初始化函数有外部副作用

副作用可能执行多次。观察时记录函数调用次数与成功放入次数。把这个条件与基准情形分开,有助于判断变化来自哪一层;若得到相反结果,应先核对前提,再修改实现。

对照 3:复合执行读取再修改

仍需要专门的原子协议。观察时记录两次方法调用间的交错。把这个条件与基准情形分开,有助于判断变化来自哪一层;若得到相反结果,应先核对前提,再修改实现。

4. 适用条件与取舍

分段锁是该版本实现细节,不应写成所有版本都固定如此。缓存对象自身若可变,容器的线程安全也不会自动保护对象内部字段。

一次正常运行只覆盖了这组输入。继续扩展前,应把上面的异常对照保留下来,尤其关注“复合执行读取再修改”这一分支。后续方案若改变了图中任意一处依赖,原来的判断就要重新验证,不能仅凭界面相似或返回值相同沿用结论。

同月延伸

参考资料

  1. Java SE 7 API 文档
  2. Java SE 7 语言规范