Java ConcurrentMap

Jakob Jenkov 2024-11-28

java.util.concurrent.ConcurrentMap 简介

java.util.concurrent.ConcurrentMap 接口表示一个能够处理并发访问（插入和获取）的 Java Map。

除了继承自其父接口 java.util.Map 的方法外，ConcurrentMap 还额外提供了一些原子操作方法。

ConcurrentMap 的实现类

由于 ConcurrentMap 是一个接口，你需要使用它的某个具体实现类才能使用它。java.util.concurrent 包中包含以下 ConcurrentMap 接口的实现：

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 与 java.util.HashTable 类非常相似，但 ConcurrentHashMap 提供了比 HashTable 更好的并发性能。

在读取 ConcurrentHashMap 时，不会对整个 Map 加锁。
在写入时，也不会锁定整个 Map，而只是锁定内部正在被写入的部分（例如某个“桶”）。
另一个区别是：当在迭代 ConcurrentHashMap 时，即使 Map 被其他线程修改，也不会抛出 ConcurrentModificationException。不过需要注意的是，该 Iterator 并非设计为多线程共享使用。

ConcurrentMap 使用示例

下面是一个使用 ConcurrentMap 接口的示例，实际使用的是 ConcurrentHashMap 实现：

ConcurrentMap concurrentMap = new ConcurrentHashMap();
concurrentMap.put("key", "value");
Object value = concurrentMap.get("key");

避免“条件竞争”（Slipped Conditions）

尽管 ConcurrentHashMap 的各个方法本身是线程安全的，但如果你使用方式不当，仍然可能遇到并发问题。

下面展示一种错误用法，可能导致 条件竞争（Slipped Conditions）：

ConcurrentMap map = new ConcurrentHashMap();
if (!map.containsKey("key1")) {
    map.put("key1", "value1");
}

虽然 containsKey() 和 put() 方法各自都是线程安全的，但上述 if 语句整体不是线程安全的。

问题分析

假设有两个线程同时执行上述代码：

两个线程几乎同时调用 map.containsKey("key1")；
两者都得到 false（即 Map 中尚无该 key）；
于是两个线程都进入 if 语句体，并分别执行 put()；
第二个线程的 put() 会覆盖第一个线程写入的值。

如果插入的值是静态字符串 "value1"，问题可能不大；但如果值是根据线程上下文动态计算得出的，就会导致严重错误。

正确做法：使用原子方法

解决方法是使用 ConcurrentMap 提供的原子方法，如 putIfAbsent() 或 computeIfAbsent()。

使用 `putIfAbsent()`

ConcurrentMap map = new ConcurrentHashMap();
map.putIfAbsent("key1", "value1");

该方法仅在 Map 中不存在指定 key 时才插入键值对。
整个操作是原子的，确保同一 key 不会被多个线程重复插入。
不同 key 的插入操作可能并发进行（取决于内部实现，如是否落在不同“桶”中）。

使用 `computeIfAbsent()`

ConcurrentMap map = new ConcurrentHashMap();
map.computeIfAbsent("key2", (key) -> {
    return "Value for key " + key.toString() + " : " + Thread.currentThread().getName();
});

如果指定 key 不存在，则使用提供的函数（lambda 表达式）计算值并插入。
对于同一个 absent key，只有一个线程能执行计算并插入，其他线程将直接获取已插入的值，不会重复计算。

注意：lambda 表达式作为第二个参数传入，用于动态生成值。

使用 `computeIfPresent()`

ConcurrentMap map = new ConcurrentHashMap();
map.computeIfPresent("key2", (key, oldValue) -> {
    return "Updated value for " + key;
});

仅当指定 key 已经存在时，才使用函数计算新值并更新。
如果 key 不存在，则不执行任何操作。

在上面的例子中，由于 Map 初始为空，调用 computeIfPresent("key2", ...) 不会产生任何效果。