Java并发编程：正确使用ConcurrentHashMap进行线程安全操作

本文旨在帮助开发者正确使用 ConcurrentHashMap 实现线程安全的操作。ConcurrentHashMap 提供了高并发的读写性能，但直接对其进行外部同步可能会适得其反，失去其并发优势。本文将深入探讨 ConcurrentHashMap 的内部机制，并介绍如何利用其提供的原子性方法来实现线程安全的操作，避免不必要的同步开销，提升程序性能。

ConcurrentHashMap 是 Java 并发包 java.util.concurrent 中提供的一个线程安全的哈希表实现。它允许多个线程并发地读写数据，而无需像 Hashtable 或使用 Collections.synchronizedMap() 包装的 HashMap 那样进行全局锁定。理解 ConcurrentHashMap 的工作原理对于编写高性能的并发程序至关重要。

ConcurrentHashMap 的内部机制

ConcurrentHashMap 并非对整个 Map 进行锁定，而是采用了分段锁（Segment Locking）的机制。它将内部数据分成多个段（Segment），每个段都维护着自己的锁。当多个线程访问不同的段时，它们可以并发执行，从而提高并发性能。

避免外部同步

直接对 ConcurrentHashMap 对象进行外部同步（例如使用 synchronized(map)）通常是不必要的，并且会降低性能。因为这会强制所有线程串行执行，失去了 ConcurrentHashMap 并发访问的优势。SonarLint 等代码质量检查工具通常会发出警告，提示这种不当的使用方式。

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import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class MyClass {
    ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();

    public V get(K key) {
        return map.computeIfAbsent(key, this::calculateNewElement);
    }

    protected V calculateNewElement(K key) {
        V result;
        // 不推荐：对 ConcurrentHashMap 进行外部同步
        synchronized(map) {
            // calculation of the new element (assignating it to result)
            // with iterations over the whole map
            // and possibly with other modifications over the same map
        }
        return result;
    }
}

使用原子性方法实现线程安全操作

ConcurrentHashMap 提供了多种原子性方法，可以安全地执行复杂的操作，而无需手动加锁。这些方法包括：

• compute(K key, BiFunction super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction): 根据给定的键和计算函数，原子地更新键对应的值。如果键不存在，则添加新的键值对；如果键存在，则使用计算函数的结果更新值。
• computeIfAbsent(K key, Function super K, ? extends V> mappingFunction): 如果指定的键尚未与值关联（或映射到 null），则尝试使用给定的映射函数计算其值，并将其输入到此映射中，除非为 null。
• computeIfPresent(K key, BiFunction super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction): 如果指定的键的值存在且非空，则尝试计算该键的新映射及其当前映射值。
• merge(K key, V value, BiFunction super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction): 如果指定的键尚未与值关联或与 null 关联，则将其与给定的非空值关联。 否则，使用给定的重映射函数计算新值并将其与此键关联。

使用这些方法可以确保操作的原子性，避免并发问题，并充分利用 ConcurrentHashMap 的并发性能。

以下代码示例展示了如何使用 computeIfAbsent 方法实现线程安全的计算和添加操作：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class MyClass {
    ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap<>();

    public V get(K key) {
        return map.computeIfAbsent(key, this::calculateNewElement);
    }

    protected V calculateNewElement(K key) {
        // calculation of the new element (assignating it to result)
        // with iterations over the whole map
        // and possibly with other modifications over the same map
        V result = null;
        synchronized (this) { // 假设计算过程需要同步，但同步对象不是 map
          // 复杂的计算过程
          result = (V) ("Value for " + key); // 示例计算
        }
        return result;
    }
}

在这个例子中，calculateNewElement 方法的计算过程可能需要同步，但同步的对象是 this 而不是 map。 computeIfAbsent 保证了只有在键不存在时才会调用 calculateNewElement，并且添加操作是原子性的。

注意事项和总结

• 理解原子性方法: 熟悉 ConcurrentHashMap 提供的原子性方法，并尽可能使用它们来执行线程安全的操作。
• 避免外部同步: 除非有非常特殊的需求，否则不要对 ConcurrentHashMap 对象进行外部同步。
• 考虑数据结构选择: 如果需要频繁地修改大量节点，ConcurrentHashMap 可能不是最佳选择。可以考虑使用并发树（ConcurrentSkipListMap）或持久化集合等其他数据结构。
• 谨慎设计计算逻辑: 即使使用了 ConcurrentHashMap 的原子性方法，也需要仔细设计计算逻辑，避免死锁或其他并发问题。如果计算过程本身需要同步，请使用适当的锁，但尽量避免锁定整个 Map。

总之，ConcurrentHashMap 是一个强大的并发工具，但需要正确使用才能发挥其优势。理解其内部机制，避免不必要的同步，并充分利用其提供的原子性方法，可以编写出高性能、线程安全的并发程序。