深入剖析ConcurrentHashMap(1)

原文是09年时写的，在公司的邮件列表发过，同事一粟 和清英 创建的并发编程网 对这方面概念和实战有更好的文章，贴出来仅供参考。pdf格式在：http://www.slideshare.net/hongjiang/concurrent-hashmap 可以获取

ConcurrentHashMap是Java5中新增加的一个线程安全的Map集合，可以用来替代HashTable。对于ConcurrentHashMap是如何提高其效率的，可能大多人只是知道它使用了多个锁代替HashTable中的单个锁，也就是锁分离技术（Lock Stripping）。实际上，ConcurrentHashMap对提高并发方面的优化，还有一些其它的技巧在里面（比如你是否知道在get操作的时候，它是否也使用了锁来保护？）。

我会试图用通俗一点的方法讲解一下 ConcurrentHashMap的实现方式，不过因为水平有限，在整理这篇文档的过程中，发现了更多自己未曾深入思考过的地方，使得我不得不从新调整了自己的讲解方式。我假设受众者大多是对Java存储模型(JMM)认识并不很深的（我本人也是）。如果我们不断的对ConcurrentHashMap中一些实现追问下去，最终还是要归到JMM层面甚至更底层的。这篇文章的关注点主要在同步方面，并不去分析HashMap中的一些数据结构方面的实现。

ConcurrentHashMap实现了ConcurrentMap接口，先看看 ConcurrentMap 接口的文档说明：

提供其他原子 putIfAbsent、remove、replace 方法的 Map。

内存一致性效果：当存在其他并发 collection 时，将对象放入 ConcurrentMap 之前的线程中的操作 happen-before 随后通过另一线程从 ConcurrentMap 中访问或移除该元素的操作。

我们不关心ConcurrentMap中新增的接口，重点理解一下内存一致性效果中的“happens-before”是怎么回事。因为要想从根本上讲明白，这个是无法避开的。这又不得不从Java存储模型来谈起了。

1. 理解JAVA存储模型(JMM)的Happens-Before规则。

在解释该规则之前，我们先看一段多线程访问数据的代码例子：

public class Test1 {
    private int a=1, b=2;

    public void foo(){  // 线程1 
        a=3;
        b=4;
    }

    public int getA(){ // 线程2
        return a;
    }    
    public int getB(){ // 线程2
        return b;
    }
}

上面的代码，当线程1执行foo方法的时候，线程2访问getA和getB会得到什么样的结果？
答案：

A：a=1, b=2  // 都未改变
B：a=3, b=4  // 都改变了
C：a=3, b=2  //  a改变了，b未改变
D：a=1, b=4  //  b改变了，a未改变

上面的A,B,C都好理解，但是D可能会出乎一些人的预料。
一些不了解JMM的同学可能会问怎么可能 b=4语句会先于 a=3 执行？

这是一个多线程之间内存可见性（Visibility）顺序不一致的问题。有两种可能会造成上面的D选项。

1) Java编译器的重排序(Reording)操作有可能导致执行顺序和代码顺序不一致。
关于Reording：

Java语言规范规定了JVM要维护内部线程类似顺序化语义(within-thread as-is-serial semantics)：只要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境中执行的结果，那么上述所有的行为都是允许的。

上面的话是《Java并发编程实践》一书中引自Java语言规范的，感觉翻译的不太好。简单的说：假设代码有两条语句，代码顺序是语句1先于语句2执行；那么只要语句2不依赖于语句1的结果，打乱它们的顺序对最终的结果没有影响的话，那么真正交给CPU去执行时，他们的顺序可以是没有限制的。可以允许语句2先于语句1被CPU执行，和代码中的顺序不一致。

重排序（Reordering）是JVM针对现代CPU的一种优化，Reordering后的指令会在性能上有很大提升。(不知道这种优化对于多核CPU是否更加明显，也或许和单核多核没有关系。)

因为我们例子中的两条赋值语句，并没有依赖关系，无论谁先谁后结果都是一样的，所以就可能有Reordering的情况，这种情况下，对于其他线程来说就可能造成了可见性顺序不一致的问题。

2) 从线程工作内存写回主存时顺序无法保证。
下图描述了JVM中主存和线程工作内存之间的交互：

JLS中对线程和主存互操作定义了6个行为，分别为load，save，read，write，assign和use，这些操作行为具有原子性，且相互依赖，有明确的调用先后顺序。这个细节也比较繁琐，我们暂不深入追究。先简单认为线程在修改一个变量时，先拷贝入线程工作内存中，在线程工作内存修改后再写回主存(Main Memery)中。

假设例子中Reording后顺序仍与代码中的顺序一致，那么接下来呢？
有意思的事情就发生在线程把Working Copy Memery中的变量写回Main Memery的时刻。
线程1把变量写回Main Memery的过程对线程2的可见性顺序也是无法保证的。
上面的列子，a=3; b=4; 这两个语句在 Working Copy Memery中执行后，写回主存的过程对于线程2来说同样可能出现先b=4；后a=3；这样的相反顺序。

正因为上面的那些问题，JMM中一个重要问题就是：如何让多线程之间，对象的状态对于各线程的“可视性”是顺序一致的。
它的解决方式就是 Happens-before 规则：
JMM为所有程序内部动作定义了一个偏序关系，叫做happens-before。要想保证执行动作B的线程看到动作A的结果（无论A和B是否发生在同一个线程中），A和B之间就必须满足happens-before关系。

我们现在来看一下“Happens-before”规则都有哪些（摘自《Java并发编程实践》）：

① 程序次序法则：线程中的每个动作A都happens-before于该线程中的每一个动作B，其中，在程序中，所有的动作B都能出现在A之后。
② 监视器锁法则：对一个监视器锁的解锁 happens-before于每一个后续对同一监视器锁的加锁。
③ volatile变量法则：对volatile域的写入操作happens-before于每一个后续对同一个域的读写操作。
④ 线程启动法则：在一个线程里，对Thread.start的调用会happens-before于每个启动线程的动作。
⑤ 线程终结法则：线程中的任何动作都happens-before于其他线程检测到这个线程已经终结、或者从Thread.join调用中成功返回，或Thread.isAlive返回false。
⑥ 中断法则：一个线程调用另一个线程的interrupt happens-before于被中断的线程发现中断。
⑦ 终结法则：一个对象的构造函数的结束happens-before于这个对象finalizer的开始。
⑧ 传递性：如果A happens-before于B，且B happens-before于C，则A happens-before于C
（更多关于happens-before描述见附注2）

我们重点关注的是②，③，这两条也是我们通常编程中常用的。
后续分析ConcurrenHashMap时也会看到使用到锁(ReentrantLock)，Volatile，final等手段来保证happens-before规则的。

使用锁方式实现“Happens-before”是最简单，容易理解的。

早期Java中的锁只有最基本的synchronized，它是一种互斥的实现方式。在Java5之后，增加了一些其它锁，比如ReentrantLock，它基本作用和synchronized相似，但提供了更多的操作方式，比如在获取锁时不必像synchronized那样只是傻等，可以设置定时，轮询，或者中断，这些方法使得它在获取多个锁的情况可以避免死锁操作。

而我们需要了解的是ReentrantLock的性能相对synchronized来说有很大的提高。（不过据说Java6后对synchronized进行了优化，两者已经接近了。）在ConcurrentHashMap中，每个hash区间使用的锁正是ReentrantLock。

Volatile可以看做一种轻量级的锁，但又和锁有些不同。
a) 它对于多线程，不是一种互斥（mutex）关系。
b) 用volatile修饰的变量，不能保证该变量状态的改变对于其他线程来说是一种“原子化操作”。

在Java5之前，JMM对Volatile的定义是：保证读写volatile都直接发生在main memory中，线程的working memory不进行缓存。
它只承诺了读和写过程的可见性，并没有对Reording做限制，所以旧的Volatile并不太可靠。
在Java5之后，JMM对volatile的语义进行了增强。就是我们看到的③ volatile变量法则

那对于“原子化操作”怎么理解呢？看下面例子：

private static volatile int nextSerialNum = 0;

public static int generateSerialNumber(){
    return nextSerialNum++;
}

上面代码中对nextSerialNum使用了volatile来修饰，根据前面“Happens-Before”法则的第三条Volatile变量法则，看似不同线程都会得到一个新的serialNumber

问题出在了 nextSerialNum++ 这条语句上，它不是一个原子化的，实际上是read-modify-write三项操作，这就有可能使得在线程1在write之前，线程2也访问到了nextSerialNum，造成了线程1和线程2得到一样的serialNumber。
所以，在使用Volatile时，需要注意
a) 需不需要互斥；
b）对象状态的改变是不是原子化的。

最后也说一下final 关键字。
不变模式（immutable）是多线程安全里最简单的一种保障方式。因为你拿他没有办法，想改变它也没有机会。
不变模式主要通过final关键字来限定的。
在JMM中final关键字还有特殊的语义。Final域使得确保初始化安全性（initialization safety）成为可能，初始化安全性让不可变形对象不需要同步就能自由地被访问和共享。

2）经过前面的了解，下面我们用Happens-Before规则理解一个经典问题：双重检测锁(DCL)为什么在java中不适用？

public class LazySingleton {
    private int                  someField;
    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton(){
        this.someField = new Random().nextInt(200) + 1; // (1)
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {// (2)
            synchronized (LazySingleton.class) { // (3)
              if (instance == null) { // (4)
                instance = new LazySingleton(); // (5)
              }
            }
        }
        return instance; // (6)
    }

    public int getSomeField() {
        return this.someField;  // (7)
    }
}

这里例子的详细解释可以看这里：http://www.javaeye.com/topic/260515?page=1
他解释的太详细了，是基于数学证明来分析的，看似更严谨一些，他的证明是因为那几条语句之间不存在Happens-before约束，所以它们不能保证可见性顺序。理解起来有些抽象，对于经验不多的程序员来说缺乏更有效的说服力。

我想简单的用对象创建期间的实际场景来分析一下：（注意，这种场景是我个人的理解，所看的资料也是非官方的，不完全保证正确。如果发现不对请指出。见附注1）

假设线程1执行完(5)时，线程2正好执行到了(2)；
看看 new LazySingleton(); 这个语句的执行过程： 它不是一个原子操作，实际是由多个步骤，我们从我们关注的角度简化一下，简单的认为它主要有2步操作好了：
a） 在内存中分配空间，并将引用指向该内存空间。
b） 执行对象的初始化的逻辑(和操作)，完成对象的构建。

此时因为线程1和线程2没有用同步，他们之间不存在“Happens-Before”规则的约束，所以在线程1创建LazySingleton对象的 a),b)这两个步骤对于线程2来说会有可能出现a)可见，b)不可见
造成了线程2获取到了一个未创建完整的lazySingleton对象引用，为后边埋下隐患。

之所以这里举到 DCL这个例子，是因为我们后边分析ConcurrentHashMap时，也会遇到相似的情况。
对于对象的创建，出于乐观考虑，两个线程之间没有用“Happens-Before规则来约束”另一个线程可能会得到一个未创建完整的对象，这种情况必须要检测，后续分析ConcurrentHashMap时再讨论。

附注1：
我所定义的场景，是基于对以下资料了解的，比较低层，没有细看。
原文：http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html
其中分析一个对象创建过程的部分摘抄如下：

singletons[i].reference = new Singleton();

to the following (note that the Symantec JIT using a handle-based object allocation system).

0206106A   mov         eax,0F97E78h
0206106F   call        01F6B210                  ; allocate space for
                                             ; Singleton, return result in eax
02061074   mov         dword ptr [ebp],eax       ; EBP is &singletons[i].reference 
                                            ; store the unconstructed object here.
02061077   mov         ecx,dword ptr [eax]       ; dereference the handle to
                                             ; get the raw pointer
02061079   mov         dword ptr [ecx],100h      ; Next 4 lines are
0206107F   mov         dword ptr [ecx+4],200h    ; Singleton's inlined constructor
02061086   mov         dword ptr [ecx+8],400h
0206108D   mov         dword ptr [ecx+0Ch],0F84030h

As you can see, the assignment to singletons[i].reference is performed before the constructor for Singleton is called. This is completely legal under the existing Java memory model, and also legal in C and C++ (since neither of them have a memory model).

另外，从JVM创建一个对象的过程来看，分为：“装载”，“连接”，“初始化”三个步骤。
在连接步骤中包含“验证”，“准备”，“解析”这几个环节。
为一个对象分配内存的过程是在连接步骤的准备环节，它是先于“初始化”步骤的，而构造函数的执行是在“初始化”步骤中的。

附注2:
Java6 API文档中对于内存一致性(Memory Consistency Properties)的描述：

内存一致性属性

Java Language Specification 第 17 章定义了内存操作（如共享变量的读写）的 happen-before 关系。只有写入操作 happen-before 读取操作时，才保证一个线程写入的结果对另一个线程的读取是可视的。synchronized 和 volatile 构造 happen-before 关系，Thread.start() 和 Thread.join() 方法形成 happen-before 关系。尤其是：

1) 线程中的每个操作 happen-before 稍后按程序顺序传入的该线程中的每个操作。
2) 一个解除锁监视器的（synchronized 阻塞或方法退出）happen-before 相同监视器的每个后续锁（synchronized 阻塞或方法进入）。并且因为 happen-before 关系是可传递的，所以解除锁定之前的线程的所有操作 happen-before 锁定该监视器的任何线程后续的所有操作。
3) 写入 volatile 字段 happen-before 每个后续读取相同字段。volatile 字段的读取和写入与进入和退出监视器具有相似的内存一致性效果，但不 需要互斥锁。
4) 在线程上调用 start happen-before 已启动的线程中的任何线程。
5) 线程中的所有操作 happen-before 从该线程上的 join 成功返回的任何其他线程。
java.util.concurrent 中所有类的方法及其子包扩展了这些对更高级别同步的保证。尤其是：
6) 线程中将一个对象放入任何并发 collection 之前的操作 happen-before 从另一线程中的 collection 访问或移除该元素的后续操作。
7) 线程中向 Executor 提交 Runnable 之前的操作 happen-before 其执行开始。同样适用于向 ExecutorService 提交 Callables。
8) 异步计算（由 Future 表示）所采取的操作 happen-before 通过另一线程中 Future.get() 获取结果后续的操作。
9) “释放”同步储存方法（如 Lock.unlock、Semaphore.release 和 CountDownLatch.countDown）之前的操作 happen-before 另一线程中相同同步储存对象成功“获取”方法（如 Lock.lock、Semaphore.acquire、Condition.await 和 CountDownLatch.await）的后续操作。
10) 对于通过 Exchanger 成功交换对象的每个线程对，每个线程中 exchange() 之前的操作 happen-before 另一线程中对应 exchange() 后续的操作。
11) 调用 CyclicBarrier.await 之前的操作 happen-before 屏障操作所执行的操作，屏障操作所执行的操作 happen-before 从另一线程中对应 await 成功返回的后续操作。

后续补充：
附注一种所引用的文章（Double-Checked Locking is Broken）是一篇比较著名的文章，但也比较早；他所使用的JIT还是Symantec（赛门铁克）JIT，这是一个很古老的JIT，早已经退出了Java舞台，不过我了解了一下历史，在SUN的HotSpot JIT出现之前，Symantec JIT曾是市场上编译最快的JIT。

Symantec的JIT反汇编后证明的逻辑，并不一定证明其他其他JIT也是这样的，我不清楚用什么工具能将java执行过程用汇编语言表达出来。没有去证明其他的编译器。

所以我所描述的new一个对象的场景不一定是完全正确的（不同的编译器未必都和Symantec的实现方式一致），但是始终存在reording 优化，即使编译器没有做，也有可能在cpu级去做，所以new一个对象的过程对多线程访问始终存在不确定性。