从创建对象到ConcurrentHashMap

原文始发于微信公众号（BeCoder）：从创建对象到ConcurrentHashMap

其实创建对象与ConcurrentHashMap之间并没有必然联系，不过很多知识是环环相扣的，这篇文章权当做一次温习吧。

对象与锁

如下代码，在new一个对象后，jvm会先检查Student类是否已被加载，若未加载则先加载，否则在堆区创建该对象。

Student stu = new Student();

既然对象是分配在堆区，那么对象在堆区的存储结构是怎样的呢，其实主要分为三个部分：

这里重点看“对象头”，对象头主要存储信息如下所示。

可以看到，MarkWord标志位存放了对象的锁信息。

我们知道，Java中的任何对象都可以当作锁，那么锁是用来干嘛的呢。在多线程并发中，当多个线程同时访问某个共享资源时容易发生错误，如脏读（线程1读到被线程2修改的数据），因此提供锁机制来保证线程安全。

一般说来，线程对资源的访问无非就是读和写，当多个线程对资源只读时，并不会出现线程安全问题，但如果有至少一条线程写资源，就极易会出现问题。

我们大致来看一下java中的锁。

从设计思想来看，java锁可分为悲观锁和乐观锁，定义如下：

悲观锁：悲观思想，认为读少写多，每次读写资源时都会上锁，其它线程需要一直阻塞直到获取锁，java中典型的悲观锁就是synchronizied，AQS框架下的锁会先进行CAS（比较交换，原子操作）获取锁，获取不到才会转换成悲观锁，如ReentrantLock。

乐观锁：乐观思想，认为读多写少，在读资源时不上锁，但在写资源时会先判断资源是否被他人修改过，一般通过资源版本号来判断：若资源更新后的版本号与期望版本号一致，则未被修改，否则已被修改。

接着我们再来看下偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

偏向锁：运行过程中，若只有一条线程持有锁，没有其它线程与之争夺，那么锁就会偏向于该线程，此锁称为偏向锁，此时只有单条线程，并不需同步操作，能提高程序运行性能。 如果后来有其他线程来争夺锁，那么jvm会将该持有偏向锁的线程挂起，消除它的偏向锁，将锁升级成轻量级锁。

轻量级锁：轻量级锁是相对于重量级锁来说的，使用轻量级锁时只需将MarkWord部分字节更新指向线程栈（每个线程都有自己的栈）中的Lock Record，若更新成功，则获取轻量级锁成功，否则说明目前已经有线程获取了轻量级锁，此时发生了竞争，需要升级成重量级锁。轻量级锁也称为乐观锁。

轻量级锁主要有自旋锁和自适应自旋锁。

自旋锁：如果持有锁的线程能在短时间内释放锁，那么其它线程就不用进入阻塞状态（阻塞和唤醒线程需要操作系统从用户态切换到核心态，开销较大），只需要等待一下（自旋），等到锁被释放再去争夺锁。但是自旋需要占用cpu，一旦自旋时间过长，则会造成cpu浪费，所以需要设置一个最大自旋时间，自旋超过最大时间的线程依然会进入阻塞状态。

自适应自旋锁：自适应意味着线程自旋时间是非固定的，会根据情况动态改变。如线程自旋很少成功获得过锁，那么以后可能会减少自旋时间，甚至忽略自旋，避免浪费cpu资源；对于刚刚自旋获得过锁的线程来说，下一次自旋获得锁的可能性较大，所以会适当增加自旋时间。

重量级锁：由轻量级锁升级而来，也称为互斥锁，当系统检测到是重量级锁后，会将等待获取锁的线程置于阻塞态，不会占用cpu，但是阻塞和唤醒线程需要操作系统从用户态切换到核心态，开销较大。重量级锁也叫悲观锁。

这里再补充一点知识。

java中每个对象都有两个池，分别为锁池和等待池。

锁池：锁被某个线程持有时，其他争夺锁的线程在该线程释放锁之前会进入锁池。

等待池：持有锁的线程在调用对象锁的wait()后会释放锁，并进入等待池。当其他线程调用对象锁的notify()或者notifyAll()后，被唤醒的线程会从等待池进入锁池。 上文说到synchronized是java中的重量级锁，它是一种独占锁（线程获取锁后其它线程需要阻塞），除了synchronized，ReentrantLock也是独占锁。

synchronized

synchronized是java中一个用来实现锁机制的关键字，可以用来修饰方法（包括静态方法和非静态方法）和代码块。

修饰静态方法时，锁住的是当前class对象；

修饰非静态方法时，锁住的是当前实例对象；

修饰代码块时，锁住的是（）中的对象。

刚才说到synchronized是独占锁，意味着在某条线程获取到锁后，其它线程需要阻塞直到锁被释放，这样在任意时刻只有一条线程能进入临界区，显然在多线程环境中，拥有较低的并发性能，且阻塞和唤醒还需要操作系统状态的切换，开销较大，因此synchronized是一种典型的重量级锁。同时它也是非公平锁（多个争夺锁的线程中谁能获取锁是随机的，无论时间先后），所以多线程环境下有可能造成“饥饿”现象（指某个线程长时间未获得锁）。

synchronized也有它的好处。我们在代码中使用它时无需手动加锁与释放锁，交由jvm和操作系统来处理即可。而且java新版本已经对synchronized做了优化，这个后面会讲到。

ReentrantLock

ReentrantLock是java中的一个类，能实现可重入锁（获得锁的线程还能继续重复获取锁，常用于循环体中，synchronized也可重入，常用于递归迭代中），它要比synchronized灵活，功能也更加丰富。

ReentrantLock也是独占锁，但和synchronized不同，ReentrantLock需要我们调用lock()、unlock()手动加锁解锁，且加锁的次数和解锁的次数需要一致，否则其它线程可能无法获取锁。

与synchronized相比，ReentrantLock主要有三个特点（区别）。

1.ReentrantLock能实现公平锁（按照线程先来后到的顺序获取锁，可避免饥饿，但性能比非公平锁低），调用无参构造方法或者传入false为非公平锁，传入true为公平锁。

2.ReentrantLock能实现响应中断。使用synchronized时，若线程拿不到锁就会阻塞直到能获取到锁，这种状态无法被中断。但是ReentrantLock提供了lockInterruptiably()，可将线程从阻塞状态中断，该方法可用于解决死锁问题。

3.ReentrantLock能实现限时等待。利用其提供的tryLock()，传入时间参数，在指定时间内返回获取锁的结果（true or false），无参则表示立即返回。

在多线程中，线程间常需要进行一些交流，如通知等待和唤醒。

最常见的是Object类的wait()、notify()/notifyAll()，锁对象调用wait()，持有锁的线程会释放锁进入等待池，其它线程调用notify()会随机唤醒等待池中的某个线程进入锁池，或调用notifyAll()唤醒所有线程。

不同于synchronized，ReentrantLock结合Condition接口来实现通知等待。调用Condition的await()来释放锁，其他线程调用signal()来唤醒线程，类似于wait()、notify()。

这里再说一下wait()和sleep()的区别。

ConcurrentHashMap

HashMap虽然性能好，可它是非线程安全的，在多线程并发下会出现问题，那么有没有解决办法呢？ 当然有，可以使用Collections.synchronizedMap()将hashmap包装成线程安全的，底层其实使用的就是synchronized关键字。但是前面说了，synchronized是重量级锁，独占锁，它会对hashmap的put、get整个都加锁，显然会给并发性能带来影响，类似hashtable。

简单解释一下。

hashmap的底层是哈希表（数组+链表，java1.8后又加上了红黑树），若使用synchronizedMap()，那么在线程对哈希表做put/get时，相当于会对整个哈希表加上锁，那么其他线程只能等锁被释放才能争夺锁并操作哈希表，效率较低。

hashtable虽是线程安全的，但其底层也是用synchronized实现的线程安全，效率也不高。

对此，JUC（java并发包）提供了一种叫做ConcurrentHashMap的线程安全集合类，它使用分段锁来实现较高的并发性能。

在java1.7及以下，ConcurrentHashMap使用的是Segment+ReentrantLock，ReentrantLock相比于synchronized的优点上文已经介绍过了，我们主要来看下Segment。

我已经在图中附了注释，所以此处便不再做文字说明。

在java1.8后，对ConcurrentHashMap做了一些调整，主要有：

主要看第三点，为什么要改成CAS+synchronized呢？

因为java对synchronized进行了优化，这些优化体现在前文所说的偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

这三种锁其实是优化后synchronized锁的类别，级别由低到高，锁只能升级，不能降级。每种锁适用于不同场景，整体来看，优化后的synchronized甚至比ReentrantLock性能要更好。

取消Segment，直接利用table数组单元作为锁，实现了可对每行数据加锁，进一步提高了并发性能。

不过即使有了ConcurrentHashMap，也不能忽略HashMap，因为各自适用于不同场景，如HashMap适合于单线程，ConcurrentHashMap则适合于多线程对map进行操作的环境下。

本篇文章所涉及的内容是面试高频考点，很多地方还可以深挖，请读者自行深入学习。