java 中map 与线程安全问题

java5的java.util包提供了大量集合类。其中最常用的集合类有List、Set、Map等。这篇文章主要介绍其中的Map。
首先，来看下java.util包中Map相关的集合类的类图（见附件中图1）。接口Map是整个类图的跟，Map往下又提供了两个接口：ConcurrentMap和SortedMap。ConcurrentMap是java5中新增的线程安全的Map接口；而SortedMap则是支持排序的Map接口。在下面这些具体的实现类中，常用的就属Hashtable、HashMap和TreeMap了。另外，java5新增了HashMap的并发版本ConcurrentHashMap。下面主要介绍下这几个类。

在开始之前，先介绍下Map是什么？
javadoc中对Map的解释如下：
An object that maps keys to values . A map cannot contain duplicate keys; each key can map to at most one value.

This interface takes the place of the Dictionary class, which was a totally abstract class rather than an interface.

The Map interface provides three collection views, which allow a map's contents to be viewed as a set of keys, collection of values, or set of key-value mappings.
从上可知，Map用于存储“key-value”元素对，它将一个key映射到一个而且只能是唯一的一个value。
Map可以使用多种实现方式，HashMap的实现采用的是hash表；而TreeMap采用的是红黑树。

1. Hashtable 和 HashMap
这两个类主要有以下几方面的不同：
    Hashtable和HashMap都实现了Map接口，但是Hashtable的实现是基于Dictionary抽象类。

    在HashMap中，null可以作为键，这样的键只有一个；可以有一个或多个键所对应的值为null。 当get()方法返回null值时，即可以表示 HashMap中没有该键，也可以表示该键所对应的值为null。因此，在HashMap中不能由get()方法来判断HashMap中是否存在某个键， 而应该用containsKey()方法来判断。而在Hashtable中，无论是key还是value都不能为null 。

   这两个类最大的不同在于Hashtable是线程安全的，它的方法是同步了的，可以直接用在多线程环境中。而HashMap则不是线程安全的。在多线程环境中，需要手动实现同步机制。因此，在Collections类中提供了一个方法返回一个同步版本的HashMap用于多线程的环境：

Java代码
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) { 
    return new SynchronizedMap<K,V>(m); 
} 
该方法返回的是一个SynchronizedMap 的实例。SynchronizedMap类是定义在Collections中的一个静态内部类。它实现了Map接口，并对其中的每一个方法实现，通过synchronized 关键字进行了同步控制。

2. 潜在的线程安全问题
上面提到Collections为HashMap提供了一个并发版本SynchronizedMap。这个版本中的方法都进行了同步，但是这并不等于这个类就一定是线程安全的。在某些时候会出现一些意想不到的结果。
如下面这段代码：
Java代码
// shm是SynchronizedMap的一个实例 
if(shm.containsKey('key')){ 
        shm.remove(key); 
} 
这段代码用于从map中删除一个元素之前判断是否存在这个元素。这里的containsKey和reomve方法都是同步的，但是整段代码却不是。考虑这么一个使用场景：线程A执行了containsKey方法返回true，准备执行remove操作；这时另一个线程B开始执行，同样执行了containsKey方法返回true，并接着执行了remove操作；然后线程A接着执行remove操作时发现此时已经没有这个元素了。要保证这段代码按我们的意愿工作，一个办法就是对这段代码进行同步控制，但是这么做付出的代价太大。

在进行迭代时这个问题更改明显。Map集合共提供了三种方式来分别返回键、值、键值对的集合：
Java代码
Set<K> keySet()； 
 
Collection<V> values()； 
 
Set<Map.Entry<K,V>> entrySet()； 
在这三个方法的基础上，我们一般通过如下方式访问Map的元素：
Java代码
Iterator keys = map.keySet().iterator(); 
 
while(keys.hasNext()){ 
        map.get(keys.next()); 
} 

在这里，有一个地方需要注意的是：得到的keySet和迭代器都是Map中元素的一个“视图”，而不是“副本” 。问题也就出现在这里，当一个线程正在迭代Map中的元素时，另一个线程可能正在修改其中的元素。此时，在迭代元素时就可能会抛出ConcurrentModificationException异常。为了解决这个问题通常有两种方法，一是直接返回元素的副本，而不是视图。这个可以通过
集合类的 toArray() 方法实现，但是创建副本的方式效率比之前有所降低，特别是在元素很多的情况下；另一种方法就是在迭代的时候锁住整个集合，这样的话效率就更低了。

3. 更好的选择：ConcurrentHashMap
java5中新增了ConcurrentMap接口和它的一个实现类ConcurrentHashMap。ConcurrentHashMap提供了和Hashtable以及SynchronizedMap中所不同的锁机制。Hashtable中采用的锁机制是一次锁住整个hash表，从而同一时刻只能由一个线程对其进行操作；而ConcurrentHashMap中则是一次锁住一个桶。ConcurrentHashMap默认将hash表分为16个桶，诸如get,put,remove等常用操作只锁当前需要用到的桶。这样，原来只能一个线程进入，现在却能同时有16个写线程执行，并发性能的提升是显而易见的。

上面说到的16个线程指的是写线程，而读操作大部分时候都不需要用到锁。只有在size等操作时才需要锁住整个hash表。

在迭代方面，ConcurrentHashMap使用了一种不同的迭代方式。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException， 取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据 ，iterator完成后再将头指针替换为新的数据 ，这样iterator线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变。