為什麼ConcurrentHashMap的讀操作不需要加鎖？

我們知道，ConcurrentHashmap(1.8)這個並發集合架構是安全執行緒的，當你看到源碼的get操作時，會發現get操作全程是沒有加任何鎖的，這也是這篇博文討論的問題——為什麼它不需要加鎖呢？

ConcurrentHashMap的簡介

我想有基礎的同學知道在jdk1.7中是採用Segment + HashEntry + ReentrantLock的方式進行實現的，而1.8中放棄了Segment臃腫的設計，取而代之的是採用Node + CAS + Synchronized來保證並發安全進行實現。

• JDK1.8的實現降低鎖的粒度，JDK1.7版本鎖的粒度是基於Segment的，包含多個HashEntry，而JDK1.8鎖的粒度就是HashEntry（首節點）
• JDK1.8版本的資料結構變得更加簡單，使得操作也更加清晰流暢，因為已經使用synchronized來進行同步，所以不需要分段鎖的概念，也就不需要Segment這種資料結構了，由於粒度的降低，實現的複雜度也增加了
• JDK1.8使用紅/黑樹狀結構來最佳化鏈表，基於長度很長的鏈表的遍曆是一個很漫長的過程，而紅/黑樹狀結構的遍曆效率是很快的，代替一定閾值的鏈表，這樣形成一個最佳拍檔

get操作源碼

1. 首先計算hash值，定位到該table索引位置，如果是首節點符合就返回
2. 如果遇到擴容的時候，會調用標誌正在擴容節點ForwardingNode的find方法，尋找該節點，匹配就返回
3. 以上都不符合的話，就往下遍曆節點，匹配就返回，否則最後就返回null

//會發現源碼中沒有一處加了鎖public V get(Object key) {    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;    int h = spread(key.hashCode()); //計算hash    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//讀取首節點的Node元素        if ((eh = e.hash) == h) { //如果該節點就是首節點就返回            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))                return e.val;        }        //hash值為負值表示正在擴容，這個時候查的是ForwardingNode的find方法來定位到nextTable來        //eh=-1，說明該節點是一個ForwardingNode，正在遷移，此時調用ForwardingNode的find方法去nextTable裡找。        //eh=-2，說明該節點是一個TreeBin，此時調用TreeBin的find方法遍曆紅/黑樹狀結構，由於紅/黑樹狀結構有可能正在旋轉變色，所以find裡會有讀寫鎖。        //eh>=0，說明該節點下掛的是一個鏈表，直接遍曆該鏈表即可。        else if (eh < 0)            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;        while ((e = e.next) != null) {//既不是首節點也不是ForwardingNode，那就往下遍曆            if (e.hash == h &&                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))                return e.val;        }    }    return null;}

get沒有加鎖的話，ConcurrentHashMap是如何保證讀到的資料不是髒資料的呢？volatile登場

對於可見度，Java提供了volatile關鍵字來保證可見度、有序性。但不保證原子性。
普通的共用變數不能保證可見度，因為普通共用變數被修改之後，什麼時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時記憶體中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見度。

• volatile關鍵字對於基本類型的修改可以在隨後對多個線程的讀保持一致，但是對於參考型別如數組，實體bean，僅僅保證引用的可見度，但並不保證引用內容的可見度。。
• 禁止進行指令重排序。

  背景：為了提高處理速度，處理器不直接和記憶體進行通訊，而是先將系統記憶體的資料讀到內部緩衝（L1，L2或其他）後再進行操作，但操作完不知道何時會寫到記憶體。

• 如果對聲明了volatile的變數進行寫操作，JVM就會向處理器發送一條指令，將這個變數所在緩衝行的資料寫回到系統記憶體。但是，就算寫回到記憶體，如果其他處理器緩衝的值還是舊的，再執行計算操作就會有問題。
• 在多處理器下，為了保證各個處理器的緩衝是一致的，就會實現緩衝一致性協議，當某個CPU在寫資料時，如果發現操作的變數是共用變數，則會通知其他CPU告知該變數的緩衝行是無效的，因此其他CPU在讀取該變數時，發現其無效會重新從主存中載入資料。
  
  總結下來：
• 第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
• 第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作記憶體中緩衝變數的緩衝行無效（反映到硬體層的話，就是CPU的L1或者L2緩衝中對應的緩衝行無效）；
• 第三：由於線程1的工作記憶體中緩衝變數的緩衝行無效，所以線程1再次讀取變數的值時會去主存讀取。

是加在數組上的volatile嗎?

    /**     * The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.     * Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.     */    transient volatile Node<K,V>[] table;

我們知道volatile可以修飾數組的，只是意思和它表面上看起來的樣子不同。舉個栗子，volatile int array[10]是指array的地址是volatile的而不是數組元素的值是volatile的.

用volatile修飾的Node

get操作可以無鎖是由於Node的元素val和指標next是用volatile修飾的，在多線程環境下線程A修改因為hash衝突修改結點的val或者新增節點的時候是對線程B可見的。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {    final int hash;    final K key;    //可以看到這些都用了volatile修飾    volatile V val;    volatile Node<K,V> next;    Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {        this.hash = hash;        this.key = key;        this.val = val;        this.next = next;    }    public final K getKey()       { return key; }    public final V getValue()     { return val; }    public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }    public final String toString(){ return key + "=" + val; }    public final V setValue(V value) {        throw new UnsupportedOperationException();    }    public final boolean equals(Object o) {        Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;        return ((o instanceof Map.Entry) &&                (k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&                (v = e.getValue()) != null &&                (k == key || k.equals(key)) &&                (v == (u = val) || v.equals(u)));    }    /**     * Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses.     */    Node<K,V> find(int h, Object k) {        Node<K,V> e = this;        if (k != null) {            do {                K ek;                if (e.hash == h &&                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))                    return e;            } while ((e = e.next) != null);        }        return null;    }}

既然volatile修飾數組對get操作沒有效果那加在數組上的volatile的目的是什麼呢？

其實就是為了使得Node數組在擴容的時候對其他線程具有可見度而加的volatile

總結

• 在1.8中ConcurrentHashMap的get操作全程不需要加鎖，這也是它比其他並發集合比如hashtable、用Collections.synchronizedMap()封裝的hashmap;安全效率高的原因之一。
• get操作全程不需要加鎖是因為Node的成員val是用volatile修飾的和數組用volatile修飾沒有關係。
• 數組用volatile修飾主要是保證在數組擴容的時候保證可見度。