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美团面试拷打:ConcurrentHashMap 为何不能插入 null?HashMap 为何可以?原创

7月前
290244

JavaGuide 官方网站javaguide.cn

周末的时候,有一位小伙伴提了一些关于  ConcurrentHashMap 的问题,都是他最近面试遇到的。原提问如下(星球原贴地址:https://t.zsxq.com/11jcuezQs ):

整个提问看着非常复杂,其实归纳来说就是两个问题:

  1. ConcurrentHashMap 为什么 key 和 value 不能为 null?
  2. ConcurrentHashMap 能保证复合操作的原子性吗?

下面我会以此提供这两个问题的详细答案,希望对你有帮助。

ConcurrentHashMap 为什么 key 和 value 不能为 null?

ConcurrentHashMap 的 key 和 value 不能为 null 主要是为了避免二义性。null 是一个特殊的值,表示没有对象或没有引用。如果你用 null 作为键,那么你就无法区分这个键是否存在于 ConcurrentHashMap 中,还是根本没有这个键。同样,如果你用 null 作为值,那么你就无法区分这个值是否是真正存储在 ConcurrentHashMap 中的,还是因为找不到对应的键而返回的。

拿 get 方法取值来说,返回的结果为 null 存在两种情况:

  • 值没有在集合中 ;
  • 值本身就是 null。

这也就是二义性的由来。

具体可以参考 ConcurrentHashMap 源码分析( https://javaguide.cn/java/collection/concurrent-hash-map-source-code.html)这篇文章。

多线程环境下,存在一个线程操作该 ConcurrentHashMap 时,其他的线程将该 ConcurrentHashMap 修改的情况,所以无法通过 containsKey(key) 来判断否存在这个键值对,也就没办法解决二义性问题了。

与此形成对比的是,HashMap 可以存储 null 的 key 和 value,但 null 作为键只能有一个,null 作为值可以有多个。如果传入 null 作为参数,就会返回 hash 值为 0 的位置的值。单线程环境下,不存在一个线程操作该 HashMap 时,其他的线程将该 HashMap 修改的情况,所以可以通过 contains(key)来做判断是否存在这个键值对,从而做相应的处理,也就不存在二义性问题。

也就是说,多线程下无法正确判定键值对是否存在(存在其他线程修改的情况),单线程是可以的(不存在其他线程修改的情况)。

如果你确实需要在 ConcurrentHashMap 中使用 null 的话,可以使用一个特殊的静态空对象来代替 null。

public static final Object NULL = new Object();

最后,再分享一下 ConcurrentHashMap 作者本人 (Doug Lea)对于这个问题的回答:

The main reason that nulls aren't allowed in ConcurrentMaps (ConcurrentHashMaps, ConcurrentSkipListMaps) is that ambiguities that may be just barely tolerable in non-concurrent maps can't be accommodated. The main one is that if map.get(key) returns null, you can't detect whether the key explicitly maps to null vs the key isn't mapped. In a non-concurrent map, you can check this via map.contains(key), but in a concurrent one, the map might have changed between calls.

翻译过来之后的,大致意思还是单线程下可以容忍歧义,而多线程下无法容忍。

ConcurrentHashMap 能保证复合操作的原子性吗?

ConcurrentHashMap 是线程安全的,意味着它可以保证多个线程同时对它进行读写操作时,不会出现数据不一致的情况,也不会导致 JDK1.7 及之前版本的 HashMap 多线程操作导致死循环问题。但是,这并不意味着它可以保证所有的复合操作都是原子性的,一定不要搞混了!

复合操作是指由多个基本操作(如putgetremovecontainsKey等)组成的操作,例如先判断某个键是否存在containsKey(key),然后根据结果进行插入或更新put(key, value)。这种操作在执行过程中可能会被其他线程打断,导致结果不符合预期。

例如,有两个线程 A 和 B 同时对 ConcurrentHashMap 进行复合操作,如下:

// 线程 A
if (!map.containsKey(key)) {
map.put(key, value);
}
// 线程 B
if (!map.containsKey(key)) {
map.put(key, anotherValue);
}

如果线程 A 和 B 的执行顺序是这样:

  1. 线程 A 判断 map 中不存在 key
  2. 线程 B 判断 map 中不存在 key
  3. 线程 B 将 (key, anotherValue) 插入 map
  4. 线程 A 将 (key, value) 插入 map

那么最终的结果是 (key, value),而不是预期的 (key, anotherValue)。这就是复合操作的非原子性导致的问题。

那如何保证 ConcurrentHashMap 复合操作的原子性呢?

ConcurrentHashMap 提供了一些原子性的复合操作,如 putIfAbsentcomputecomputeIfAbsentcomputeIfPresentmerge等。这些方法都可以接受一个函数作为参数,根据给定的 key 和 value 来计算一个新的 value,并且将其更新到 map 中。

上面的代码可以改写为:

// 线程 A
map.putIfAbsent(key, value);
// 线程 B
map.putIfAbsent(key, anotherValue);

或者:

// 线程 A
map.computeIfAbsent(key, k -> value);
// 线程 B
map.computeIfAbsent(key, k -> anotherValue);

很多同学可能会说了,这种情况也能加锁同步呀!确实可以,但不建议使用加锁的同步机制,违背了使用 ConcurrentHashMap 的初衷。在使用 ConcurrentHashMap 的时候,尽量使用这些原子性的复合操作方法来保证原子性。

推荐

更多关于  ConcurrentHashMap 大家可以自行去 JavaGuide 官方网站(javaguide.cn)上进行阅读,内容非常全面。并且,上面提到的这两个问题后续也会同步上去。

 

 

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