无锁 HashMap 的原理与实现

更多 Java 集合类方面的文章,请参见文集《Java 集合类》


最近看到了一篇文章 无锁HASHMAP的原理与实现,很受用,做一些笔记。

Hashtable Collections.synchronizedMap ConcurrentHashMap在实现的具体细节上,都或多或少地用到了互斥锁。
互斥锁会造成线程阻塞,降低运行效率,并有可能产生死锁、优先级翻转等一系列问题。

无锁链表的实现

如果一个链表在执行插入操作时,不添加锁,在多线程的情况下,可能会产生问题。
例如:

  • 线程T1尝试在节点A和节点B之间插入节点C。该过程包括如下两步:
    • C.next = B;
    • A.next = C;
  • 线程T2尝试在节点A和节点B之间插入节点D。该过程包括如下两步:
    • D.next = B;
    • A.next = D;

如果我们不做任何判断,可能造成其他线程插入节点的丢失。例如 T1 先执行,T2 后执行,则会丢失节点C。

我们可以利用 CAS 操作,在为节点A的 next 指针赋值时,判断其是否仍然指向B,如果节点A的 next 指针发生了变化(例如指向了节点C)则重试整个插入操作。大致代码如下:

private void listInsert(Node head, Node C) {
    for (;;) { // 放在一个死循环中
        Node A = findInsertionPlace(head);
        Node B = A.next.get();

        C.next.set(B);
        if (A.next.compareAndSet(B, C))
            return;
    }
}

Node类的 next 字段为 AtomicReference<Node> 类型,即指向Node类型的原子性引用,具体使用请参见 Java 原子性引用 AtomicReference

无锁链表的 查找操作 与普通链表没有区别。
而其 删除操作,则需要找到待删除节点前方的节点A和后方的节点B,利用CAS操作验证并更新节点A的 next 指针,使其指向节点B。

无锁 HashMap 的难点与突破

HashMap 主要有插入、删除、查找以及 ReHash 四种基本操作。
一个典型的 HashMap 实现,会用到一个数组,数组的每项元素为一个节点的链表。
对于此链表,我们可以利用上文提到的操作方法,执行插入删除以及查找操作。


引用:
无锁HASHMAP的原理与实现

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