《吊打面试官》系列-ConcurrentHashMap &amp…

2019-12-18 16:05:57来源：博客园阅读 ()

《吊打面试官》系列-ConcurrentHashMap & HashTable

你知道的越多，你不知道的越多

点赞再看，养成习惯

本文 GitHub https://github.com/JavaFamily 已收录，有一线大厂面试点思维导图，也整理了很多我的文档，欢迎Star和完善，大家面试可以参照考点复习，希望我们一起有点东西。

前言

作为一个在互联网公司面一次拿一次Offer的面霸，打败了无数竞争对手，每次都只能看到无数落寞的身影失望的离开，略感愧疚（请允许我使用一下夸张的修辞手法）。

于是在一个寂寞难耐的夜晚，我痛定思痛，决定开始写互联网技术栈面试相关的文章，希望能帮助各位读者以后面试势如破竹，对面试官进行360°的反击，吊打问你的面试官，让一同面试的同僚瞠目结舌，疯狂收割大厂Offer！

所有文章的名字只是我的噱头，我们应该有一颗谦逊的心，所以希望大家怀着空杯心态好好学，一起进步。

回手掏

上次面试呀，我发现面试官对我的几个回答还是不够满意，觉得还是有点疑问，我就挑几个回答一下。

16是2的幂，8也是，32也是，为啥偏偏选了16？

我觉得就是一个经验值，定义16没有很特别的原因，只要是2次幂，其实用 8 和 32 都差不多。

用16只是因为作者认为16这个初始容量是能符合常用而已。

Hashmap中的链表大小超过八个时会自动转化为红黑树，当删除小于六时重新变为链表，为啥呢？

根据泊松分布，在负载因子默认为0.75的时候，单个hash槽内元素个数为8的概率小于百万分之一，所以将7作为一个分水岭，等于7的时候不转换，大于等于8的时候才进行转换，小于等于6的时候就化为链表。

正文

一个婀娜多姿，穿着衬衣的小姐姐，拿着一个精致的小笔记本，径直走过来坐在我的面前。

就在我口水要都要流出来的时候，小姐姐的话语打断了我的YY。

喂小鬼，你养我啊！

呸呸呸，说错了，上次的HashMap回答得不错，最后因为天色太晚了面试草草收场，这次可得好好安排你。

诶，面试官上次是在抱歉，因为公司双十二要值班，实在是没办法，不过这次不会了，我推掉了所有的事情准备全身心投入到今天的面试中，甚至推掉了隔壁王大爷的约会邀约。

这样最好，上次我们最后聊到HashMap在多线程环境下存在线程安全问题，那你一般都是怎么处理这种情况的？

美丽迷人的面试官您好，一般在多线程的场景，我都会使用好几种不同的方式去代替：

使用Collections.synchronizedMap(Map)创建线程安全的map集合；
Hashtable
ConcurrentHashMap

不过出于线程并发度的原因，我都会舍弃前两者使用最后的ConcurrentHashMap，他的性能和效率明显高于前两者。

哦，Collections.synchronizedMap是怎么实现线程安全的你有了解过么？

卧*！不按照套路出牌呀，正常不都是问HashMap和ConcurrentHashMap么，这次怎么问了这个鬼东西，还好我饱读诗书，经常看敖丙的《吊打面试官》系列，不然真的完了。

小姐姐您这个问题真好，别的面试官都没问过，说真的您水平肯定是顶级技术专家吧。

别贫嘴，快回答我的问题！抿嘴一笑??

在SynchronizedMap内部维护了一个普通对象Map，还有排斥锁mutex，如图

Collections.synchronizedMap(new HashMap<>(16));

我们在调用这个方法的时候就需要传入一个Map，可以看到有两个构造器，如果你传入了mutex参数，则将对象排斥锁赋值为传入的对象。

如果没有，则将对象排斥锁赋值为this，即调用synchronizedMap的对象，就是上面的Map。

创建出synchronizedMap之后，再操作map的时候，就会对方法上锁，如图全是??

卧*，小伙子，秒啊，其实我早就忘了源码了，就是瞎问一下，没想到还是回答上来了，接下来就面对疾风吧。

回答得不错，能跟我聊一下Hashtable么？

这个我就等着你问呢嘿嘿！

跟HashMap相比Hashtable是线程安全的，适合在多线程的情况下使用，但是效率可不太乐观。

哦，你能说说他效率低的原因么？

嗯嗯面试官，我看过他的源码，他在对数据操作的时候都会上锁，所以效率比较低下。

除了这个你还能说出一些Hashtable 跟HashMap不一样点么？

！呐呢？这叫什么问题嘛？这个又是知识盲区呀！

呃，面试官我从来没使用过他，你容我想想区别的点，说完便开始抓头发，这次不是装的，是真的！

Hashtable 是不允许键或值为 null 的，HashMap 的键值则都可以为 null。

呃我能打断你一下么？为啥 Hashtable 是不允许 KEY 和 VALUE 为 null, 而 HashMap 则可以呢？

尼*，我这个时候怎么觉得面前的人不好看了，甚至像个魔鬼，看着对自己面试官心里想到。

因为Hashtable在我们put 空值的时候会直接抛空指针异常，但是HashMap却做了特殊处理。

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

但是你还是没说为啥Hashtable 是不允许键或值为 null 的，HashMap 的键值则都可以为 null？

这是因为Hashtable使用的是安全失败机制（fail-safe），这种机制会使你此次读到的数据不一定是最新的数据。

如果你使用null值，就会使得其无法判断对应的key是不存在还是为空，因为你无法再调用一次contain(key）来对key是否存在进行判断，ConcurrentHashMap同理。

好的你继续说不同点吧。

实现方式不同：Hashtable 继承了 Dictionary类，而 HashMap 继承的是 AbstractMap 类。

Dictionary 是 JDK 1.0 添加的，貌似没人用过这个，我也没用过。
初始化容量不同：HashMap 的初始容量为：16，Hashtable 初始容量为：11，两者的负载因子默认都是：0.75。
扩容机制不同：当现有容量大于总容量 * 负载因子时，HashMap 扩容规则为当前容量翻倍，Hashtable 扩容规则为当前容量翻倍 + 1。
迭代器不同：HashMap 中的 Iterator 迭代器是 fail-fast 的，而 Hashtable 的 Enumerator 不是 fail-fast 的。

所以，当其他线程改变了HashMap 的结构，如：增加、删除元素，将会抛出ConcurrentModificationException 异常，而 Hashtable 则不会。

fail-fast是啥？

卧*，你自己不知道么？为啥问我！！！还好我会！

快速失败（fail—fast）是java集合中的一种机制，在用迭代器遍历一个集合对象时，如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改（增加、删除、修改），则会抛出Concurrent Modification Exception。

他的原理是啥？

迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。

集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。

每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历。

Tip：这里异常的抛出条件是检测到 modCount！=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改modCount值刚好又设置为了expectedmodCount值，则异常不会抛出。

因此，不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程，这个异常只建议用于检测并发修改的bug。

说说他的场景？

java.util包下的集合类都是快速失败的，不能在多线程下发生并发修改（迭代过程中被修改）算是一种安全机制吧。

Tip：安全失败（fail—safe）大家也可以了解下，java.util.concurrent包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改。

嗯？这个小鬼这么有东西的嘛？居然把不同点几乎都说出来了，被人遗忘的Hashtable都能说得头头是道，看来不简单，不知道接下来的ConcurrentHashMap连环炮能不能顶得住了。

都说了他的并发度不够，性能很低，这个时候你都怎么处理的？

他来了他来了，他终于还是来了，等了这么久，就是等你问我这个点，你还是掉入了我的陷阱啊，我早有准备，在HashMap埋下他线程不安全的种子，就是为了在ConcurrentHashMap开花结果！

小姐姐：这样的场景，我们在开发过程中都是使用ConcurrentHashMap，他的并发的相比前两者好很多。

哦？那你跟我说说他的数据结构吧，以及为啥他并发度这么高？

ConcurrentHashMap 底层是基于 数组 + 链表 组成的，不过在 jdk1.7 和 1.8 中具体实现稍有不同。

我先说一下他在1.7中的数据结构吧：

如图所示，是由 Segment 数组、HashEntry 组成，和 HashMap 一样，仍然是数组加链表。

Segment 是 ConcurrentHashMap 的一个内部类，主要的组成如下：

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;

    // 和 HashMap 中的 HashEntry 作用一样，真正存放数据的桶
    transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

    transient int count;
        // 记得快速失败（fail—fast）么？
    transient int modCount;
        // 大小
    transient int threshold;
        // 负载因子
    final float loadFactor;

}

HashEntry跟HashMap差不多的，但是不同点是，他使用volatile去修饰了他的数据Value还有下一个节点next。

volatile的特性是啥？

保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。（实现可见性）
禁止进行指令重排序。（实现有序性）
volatile 只能保证对单次读/写的原子性。i++ 这种操作不能保证原子性。

我就不大篇幅介绍了，多线程章节我会说到的，大家知道用了之后安全了就对了。

那你能说说他并发度高的原因么？

原理上来说，ConcurrentHashMap 采用了分段锁技术，其中 Segment 继承于 ReentrantLock。

不会像 HashTable 那样不管是 put 还是 get 操作都需要做同步处理，理论上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 数组数量)的线程并发。

每当一个线程占用锁访问一个 Segment 时，不会影响到其他的 Segment。

就是说如果容量大小是16他的并发度就是16，可以同时允许16个线程操作16个Segment而且还是线程安全的。

public V put(K key, V value) {
    Segment<K,V> s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();//这就是为啥他不可以put null值的原因
    int hash = hash(key);
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          
         (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) 
        s = ensureSegment(j);
    return s.put(key, hash, value, false);
}

他先定位到Segment，然后再进行put操作。

我们看看他的put源代码，你就知道他是怎么做到线程安全的了，关键句子我注释了。

        final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
          // 将当前 Segment 中的 table 通过 key 的 hashcode 定位到 HashEntry
            HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
                scanAndLockForPut(key, hash, value);
            V oldValue;
            try {
                HashEntry<K,V>[] tab = table;
                int index = (tab.length - 1) & hash;
                HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
                for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
                    if (e != null) {
                        K k;
 // 遍历该 HashEntry，如果不为空则判断传入的 key 和当前遍历的 key 是否相等，相等则覆盖旧的 value。
                        if ((k = e.key) == key ||
                            (e.hash == hash && key.equals(k))) {
                            oldValue = e.value;
                            if (!onlyIfAbsent) {
                                e.value = value;
                                ++modCount;
                            }
                            break;
                        }
                        e = e.next;
                    }
                    else {
                 // 不为空则需要新建一个 HashEntry 并加入到 Segment 中，同时会先判断是否需要扩容。
                        if (node != null)
                            node.setNext(first);
                        else
                            node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
                        int c = count + 1;
                        if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                            rehash(node);
                        else
                            setEntryAt(tab, index, node);
                        ++modCount;
                        count = c;
                        oldValue = null;
                        break;
                    }
                }
            } finally {
               //释放锁
                unlock();
            }
            return oldValue;
        }

首先第一步的时候会尝试获取锁，如果获取失败肯定就有其他线程存在竞争，则利用 scanAndLockForPut() 自旋获取锁。

尝试自旋获取锁。
如果重试的次数达到了 MAX_SCAN_RETRIES 则改为阻塞锁获取，保证能获取成功。

那他get的逻辑呢？

get 逻辑比较简单，只需要将 Key 通过 Hash 之后定位到具体的 Segment ，再通过一次 Hash 定位到具体的元素上。

由于 HashEntry 中的 value 属性是用 volatile 关键词修饰的，保证了内存可见性，所以每次获取时都是最新值。

ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的，因为整个过程都不需要加锁。

你有没有发现1.7虽然可以支持每个Segment并发访问，但是还是存在一些问题？

是的，因为基本上还是数组加链表的方式，我们去查询的时候，还得遍历链表，会导致效率很低，这个跟jdk1.7的HashMap是存在的一样问题，所以他在jdk1.8完全优化了。

那你再跟我聊聊jdk1.8他的数据结构是怎么样子的呢？

其中抛弃了原有的 Segment 分段锁，而采用了 CAS + synchronized 来保证并发安全性。

跟HashMap很像，也把之前的HashEntry改成了Node，但是作用不变，把值和next采用了volatile去修饰，保证了可见性，并且也引入了红黑树，在链表大于一定值的时候会转换（默认是8）。

同样的，你能跟我聊一下他值的存取操作么？以及是怎么保证线程安全的？

ConcurrentHashMap在进行put操作的还是比较复杂的，大致可以分为以下步骤：

根据 key 计算出 hashcode 。
判断是否需要进行初始化。
即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。
如果当前位置的 hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。
如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。
如果数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树。

你在上面提到CAS是什么？自旋又是什么？

CAS 是乐观锁的一种实现方式，是一种轻量级锁，JUC 中很多工具类的实现就是基于 CAS 的。

CAS 操作的流程如下图所示，线程在读取数据时不进行加锁，在准备写回数据时，比较原值是否修改，若未被其他线程修改则写回，若已被修改，则重新执行读取流程。

这是一种乐观策略，认为并发操作并不总会发生。

还是不明白？那我再说明下，乐观锁在实际开发场景中非常常见，大家还是要去理解。

就比如我现在要修改数据库的一条数据，修改之前我先拿到他原来的值，然后在SQL里面还会加个判断，原来的值和我手上拿到的他的原来的值是否一样，一样我们就可以去修改了，不一样就证明被别的线程修改了你就return错误就好了。

SQL伪代码大概如下：

update a set value = newValue where value = #{oldValue}//oldValue就是我们执行前查询出来的值

CAS就一定能保证数据没被别的线程修改过么？

并不是的，比如很经典的ABA问题，CAS就无法判断了。

什么是ABA？

就是说来了一个线程把值改回了B，又来了一个线程把值又改回了A，对于这个时候判断的线程，就发现他的值还是A，所以他就不知道这个值到底有没有被人改过，其实很多场景如果只追求最后结果正确，这是没关系的。

但是实际过程中还是需要记录修改过程的，比如资金修改什么的，你每次修改的都应该有记录，方便回溯。

那怎么解决ABA问题？

用版本号去保证就好了，就比如说，我在修改前去查询他原来的值的时候再带一个版本号，每次判断就连值和版本号一起判断，判断成功就给版本号加1。

update a set value = newValue ，vision = vision + 1 where value = #{oldValue} and vision = #{vision} // 判断原来的值和版本号是否匹配，中间有别的线程修改，值可能相等，但是版本号100%不一样

牛*，有点东西，除了版本号还有别的方法保证么？

其实有很多方式，比如时间戳也可以，查询的时候把时间戳一起查出来，对的上才修改并且更新值的时候一起修改更新时间，这样也能保证，方法很多但是跟版本号都是异曲同工之妙，看场景大家想怎么设计吧。

CAS性能很高，但是我知道synchronized性能可不咋地，为啥jdk1.8升级之后反而多了synchronized？

synchronized之前一直都是重量级的锁，但是后来java官方是对他进行过升级的，他现在采用的是锁升级的方式去做的。

针对 synchronized 获取锁的方式，JVM 使用了锁升级的优化方式，就是先使用偏向锁优先同一线程然后再次获取锁，如果失败，就升级为 CAS 轻量级锁，如果失败就会短暂自旋，防止线程被系统挂起。最后如果以上都失败就升级为重量级锁。

所以是一步步升级上去的，最初也是通过很多轻量级的方式锁定的。

??，那我们回归正题，ConcurrentHashMap的get操作又是怎么样子的呢？

根据计算出来的 hashcode 寻址，如果就在桶上那么直接返回值。
如果是红黑树那就按照树的方式获取值。
就不满足那就按照链表的方式遍历获取值。

小结：1.8 在 1.7 的数据结构上做了大的改动，采用红黑树之后可以保证查询效率（O(logn)），甚至取消了 ReentrantLock 改为了 synchronized，这样可以看出在新版的 JDK 中对 synchronized 优化是很到位的。

总结

Hashtable&ConcurrentHashMap跟HashMap基本上就是一套连环组合，我在面试的时候经常能吹上很久，经常被面试官说：好了好了，我们继续下一个话题吧哈哈。

是的因为提到HashMap你肯定会聊到他的线程安全性这一点，那你总不能加锁一句话就搞定了吧，java的作者们也不想，所以人家写开发了对应的替代品，那就是线程安全的Hashtable&ConcurrentHashMap。

两者都有特点，但是线程安全场景还是后者用得多一点，原因我在文中已经大篇幅全方位的介绍了，这里就不再过多赘述了。

你们发现了面试就是一个个的坑，你说到啥面试官可能就怼到你啥，别问我为啥知道嘿嘿。

你知道不确定能不能为这场面试加分，但是不知道肯定是减分的，文中的快速失败（fail—fast）问到，那对应的安全失败（fail—safe）也是有可能知道的，我想读者很多都不知道吧，因为我问过很多仔哈哈。

还有提到CAS乐观锁，你要知道ABA，你要知道解决方案，因为在实际的开发场景真的不要太常用了，sync的锁升级你也要知道。

我没过多描述线程安全的太多东西，因为我都写了，以后更啥？对吧哈哈。

常见问题

谈谈你理解的 Hashtable，讲讲其中的 get put 过程。ConcurrentHashMap同问。
1.8 做了什么优化？
线程安全怎么做的？
不安全会导致哪些问题？
如何解决？有没有线程安全的并发容器？
ConcurrentHashMap 是如何实现的？
ConcurrentHashMap并发度为啥好这么多？
1.7、1.8 实现有何不同？为什么这么做？
CAS是啥？
ABA是啥？场景有哪些，怎么解决？
synchronized底层原理是啥？
synchronized锁升级策略
快速失败（fail—fast）是啥，应用场景有哪些？安全失败（fail—safe）同问。
……

加分项

在回答Hashtable和ConcurrentHashMap相关的面试题的时候，一定要知道他们是怎么保证线程安全的，那线程不安全一般都是发生在存取的过程中的，那get、put你肯定要知道。

HashMap是必问的那种，这两个经常会作为替补问题，不过也经常问，他们本身的机制其实都比较简单，特别是ConcurrentHashMap跟HashMap是很像的，只是是否线程安全这点不同。

提到线程安全那你就要知道相关的知识点了，比如说到CAS你一定要知道ABA的问题，提到synchronized那你要知道他的原理，他锁对象，方法、代码块，在底层是怎么实现的。

synchronized你还需要知道他的锁升级机制，以及他的兄弟ReentantLock，两者一个是jvm层面的一个是jdk层面的，还是有很大的区别的。

那提到他们两个你是不是又需要知道juc这个包下面的所有的常用类，以及他们的底层原理了？

那提到……

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好了各位，以上就是这篇文章的全部内容了，能看到这里的人呀，都是人才。

我后面会每周都更新几篇一线互联网大厂面试和常用技术栈相关的文章，非常感谢人才们能看到这里，如果这个文章写得还不错，觉得「敖丙」我有点东西的话 求点赞?? 求关注?? 求分享?? 对暖男我来说真的 非常有用！！！

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敖丙 | 文【原创】

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