从Java并发集合看锁优化策略

1.ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是支持并发的HashMap类，可以在多线程环境下保证线程安全。ConcurrentHashMap的核心思想就是减小锁的粒度。传统的线程安全的Hashtable在同步时采用了synchronized关键字，所有对Hashtable的读写操作都要先获取对象锁，在锁竞争比较激烈的情况下会导致性能很低。ConcurrentHashMap在此基础上采用和分段的策略，将一个HashMap最多分为16个段(Segment)，对不同段上的操作可以并发执行，只有在同一个段上的读写才使用加锁的策略。通过这种减小锁粒度的方式，大大提高了性能。如ConcurrentHashMap的put方法源码如下：

public V put(K key, V value) {
//先找到value所在的段
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
s = ensureSegment(j);

//针对对应的段进行操作
return s.put(key, hash, value, false);
}

ConcurrentHashMap.Segment的put方法如下：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
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;
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 {
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 {
unlock();
}
return oldValue;
}

可以看出，在对ConcurrentHashMap进行操作时，会先找到数据所在的段，只有在同一个段上的数据才会采用加锁的机制，非同段则可以并发执行。

2.CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList采用了读、写锁分离的思想。所有对CopyOnWriteArrayList的读操作可以进行无锁的并发执行，当进行写操作时，会先将原数组复制一份再进行修改，修改后将新数组的引用传递给原数组，并释放复制数组所占的空间。CopyOnWriteArrayList非常适合应用于大量读取少量修改的并发场景下。

CopyOnWriteArrayList的get方法如下：

public E get(int index) {
//直接进行随机访问
return get(getArray(), index);
}

add方法实现如下：

public boolean add(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;

//加锁
lock.lock();
try {
Object[] elements = getArray();
int len = elements.length;

//拷贝原数组
Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
newElements[len] = e;

//将新数组的引用传递给原数组
setArray(newElements);
return true;
} finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
}

综上，CopyOnWriteArrayList在读操作时可以进行无锁的并发，在写操作时才进行同步操作，在大量读少量写的场景下可以大大提高效率。