ConcurrentHashMap、synchronized與執行緒安全
在看spring原始碼時，看到synchronized 包圍了 ConcurrentHashMap
最近做的專案中遇到一個問題：明明用了ConcurrentHashMap，可是始終執行緒不安全
除去專案中的業務邏輯，簡化後的程式碼如下：
-
public class Test40 { -
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { -
for (int i = 0; i < 10; i++) { -
System.out.println(test()); -
} -
} -
private static int test() throws InterruptedException { -
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>(); -
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool(); -
for (int i = 0; i < 8; i++) { -
pool.execute(new MyTask(map)); -
} -
pool.shutdown(); -
pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS); -
return map.get(MyTask.KEY); -
} -
} -
class MyTask implements Runnable { -
public static final String KEY = "key"; -
private ConcurrentHashMap<String, Integer> map; -
public MyTask(ConcurrentHashMap<String, Integer> map) { -
this.map = map; -
} -
@Override -
public void run() { -
for (int i = 0; i < 100; i++) { -
this.addup(); -
} -
} -
private void addup() { -
if (!map.containsKey(KEY)) { -
map.put(KEY, 1); -
} else { -
map.put(KEY, map.get(KEY) + 1); -
} -
} -
}
測試程式碼跑了10次，每次都不是800。這就很讓人疑惑了，難道ConcurrentHashMap的執行緒安全性失效了？
查了一些資料後發現，原來ConcurrentHashMap的執行緒安全指的是，它的每個方法單獨呼叫（即原子操作）都是執行緒安全的，但是程式碼總體的互斥性並不受控制。以上面的程式碼為例，最後一行中的：
map.put(KEY, map.get(KEY) + 1);實際上並不是原子操作，它包含了三步：
- map.get
- 加1
- map.put
其中第1和第3步，單獨來說都是執行緒安全的，由ConcurrentHashMap保證。但是由於在上面的程式碼中，map本身是一個共享變數。當執行緒A執行map.get的時候，其它執行緒可能正在執行map.put，這樣一來當執行緒A執行到map.put的時候，執行緒A的值就已經是髒資料了，然後髒資料覆蓋了真值，導致執行緒不安全
簡單地說，ConcurrentHashMap的get方法獲取到的是此時的真值，但它並不保證當你呼叫put方法的時候，當時獲取到的值仍然是真值
為了使上面的程式碼變得執行緒安全，我引入了synchronized關鍵字來修飾目標方法，如下：
-
public class Test40 { -
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { -
for (int i = 0; i < 10; i++) { -
System.out.println(test()); -
} -
} -
private static int test() throws InterruptedException { -
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>(); -
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool(); -
for (int i = 0; i < 8; i++) { -
pool.execute(new MyTask(map)); -
} -
pool.shutdown(); -
pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS); -
return map.get(MyTask.KEY); -
} -
} -
class MyTask implements Runnable { -
public static final String KEY = "key"; -
private ConcurrentHashMap<String, Integer> map; -
public MyTask(ConcurrentHashMap<String, Integer> map) { -
this.map = map; -
} -
@Override -
public void run() { -
for (int i = 0; i < 100; i++) { -
this.addup(); -
} -
} -
private synchronized void addup() { // 用關鍵字synchronized修飾addup方法 -
if (!map.containsKey(KEY)) { -
map.put(KEY, 1); -
} else { -
map.put(KEY, map.get(KEY) + 1); -
} -
} -
}
執行之後仍然是執行緒不安全的，難道synchronized也失效了？
查閱了synchronized的資料後，原來，不管synchronized是用來修飾方法，還是修飾程式碼塊，其本質都是鎖定某一個物件。修飾方法時，鎖上的是呼叫這個方法的物件，即this；修飾程式碼塊時，鎖上的是括號裡的那個物件
在上面的程式碼中，很明顯就是鎖定的MyTask物件本身。但是由於在每一個執行緒中，MyTask物件都是獨立的，這就導致實際上每個執行緒都對自己的MyTask進行鎖定，而並不會干涉其它執行緒的MyTask物件。換言之，上鎖壓根沒有意義
理解到這點之後，對上面的程式碼又做了一次修改：
-
public class Test40 { -
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { -
for (int i = 0; i < 10; i++) { -
System.out.println(test()); -
} -
} -
private static int test() throws InterruptedException { -
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>(); -
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool(); -
for (int i = 0; i < 8; i++) { -
pool.execute(new MyTask(map)); -
} -
pool.shutdown(); -
pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS); -
return map.get(MyTask.KEY); -
} -
} -
class MyTask implements Runnable { -
public static final String KEY = "key"; -
private ConcurrentHashMap<String, Integer> map; -
public MyTask(ConcurrentHashMap<String, Integer> map) { -
this.map = map; -
} -
@Override -
public void run() { -
for (int i = 0; i < 100; i++) { -
synchronized (map) { // 對共享物件map上鎖 -
this.addup(); -
} -
} -
} -
private void addup() { -
if (!map.containsKey(KEY)) { -
map.put(KEY, 1); -
} else { -
map.put(KEY, map.get(KEY) + 1); -
} -
} -
}
此時在呼叫addup時直接鎖定map，由於map是被所有執行緒共享的，因而達到了讓所有執行緒互斥的目的，執行緒安全達成。
修改後，ConcurrentHashMap的作用就不大了，可以直接將程式碼中的map換成普通的HashMap，以減少由ConcurrentHashMap帶來的鎖開銷
最後特別補充的是，synchronized關鍵字判斷物件是否是它屬於鎖定的物件，本質上是通過 == 運算子來判斷的。換句話說，上面的程式碼中，可以採用任何一個常量，或者每個執行緒都共享的變數，或者MyTask類的靜態變數，來代替map。只要該變數與synchronized鎖定的目標變數相同（==），就可以使synchronized生效
綜上，程式碼最終可以修改為：
-
public class Test40 { -
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { -
for (int i = 0; i < 100; i++) { -
System.out.println(test()); -
} -
} -
private static int test() throws InterruptedException { -
Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>(); -
ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool(); -
for (int i = 0; i < 8; i++) { -
pool.execute(new MyTask(map)); -
} -
pool.shutdown(); -
pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS); -
return map.get(MyTask.KEY); -
} -
} -
class MyTask implements Runnable { -
public static Object lock = new Object(); -
public static final String KEY = "key"; -
private Map<String, Integer> map; -
public MyTask(Map<String, Integer> map) { -
this.map = map; -
} -
@Override -
public void run() { -
for (int i = 0; i < 100; i++) { -
synchronized (lock) { -
this.addup(); -
} -
} -
} -
private void addup() { -
if (!map.containsKey(KEY)) { -
map.put(KEY, 1); -
} else { -
map.put(KEY, map.get(KEY) + 1); -
} -
} -
}