如何线程安全的使用 HashMap

Collections.synchronizedMap 方法使用了装饰器模式为线程不安全的 HashMap 提供了一个线程安全的装饰器类 SynchronizedMap。

这篇文章，我们聊聊线程安全使用 HashMap 的四种技巧。

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1.方法内部：每个线程创建单独的 HashMap

如下图，tomcat 接收到到请求后，依次调用控制器 Controller、服务层 Service 、数据库访问层的相关方法。

每次访问服务层方法 serviceMethod 时，都会在方法体内部创建一个单独的 HashMap , 将相关请求参数拷贝到 HashMap 里，然后调用 DAO 方法进行数据库操作。

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每个 HTTP 处理线程在服务层方法体内部都有自己的HashMap实例，在多线程环境下，不需要对HashMap进行任何同步操作。

这也是我们使用最普遍也最安全的的方式，是 CRUD 最基本的操作。

2.配置数据：初始化单线程写，后续只提供读

系统启动之后，我们可以将配置数据加载到本地缓存 HashMap 里 ，这些配置信息初始化之后，就不需要写入了，后续只提供读操作。

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上图中显示一个非常简单的配置类 SimpleConfig ，内部有一个 HashMap 对象 configMap 。构造函数调用初始化方法，初始化方法内部的逻辑是：将配置数据存储到 HashMap 中。

SimpleConfig 类对外暴露了 getConfig 方法 ，当 main 线程初始化 SimpleConfig 对象之后，当其他线程调用 getConfig 方法时，因为只有读，没有写操作，所以是线程安全的。

3.读写锁：读读不互斥，读写互斥，写写互斥

读写锁是一把锁分为两部分：读锁和写锁，其中读锁允许多个线程同时获得，而写锁则是互斥锁。

它的规则是：读读不互斥，读写互斥，写写互斥，适用于读多写少的业务场景。

我们一般都使用 ReentrantReadWriteLock ，该类实现了 ReadWriteLock 。ReadWriteLock 接口也很简单，其内部主要提供了两个方法，分别返回读锁和写锁 。

public interface ReadWriteLock {
    //获取读锁
    Lock readLock();
    //获取写锁
    Lock writeLock();
}

读写锁的使用方式如下所示：

1. 创建 ReentrantReadWriteLock 对象 , 当使用 ReadWriteLock 的时候，并不是直接使用，而是获得其内部的读锁和写锁，然后分别调用 lock / unlock 方法 ;

private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

2. 读取共享数据 ；

Lock readLock = readWriteLock.readLock();
readLock.lock();
try {
   // TODO 查询共享数据
} finally {
   readLock.unlock();
}

3. 写入共享数据；

Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
writeLock.lock();
try {
   // TODO 修改共享数据
} finally {
   writeLock.unlock();
}

下面的代码展示如何使用 ReadWriteLock 线程安全的使用 HashMap :

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockCache {
  
    // 创建一个 HashMap 来存储缓存的数据
    private Map<String, String> map = new HashMap<>();

    // 创建读写锁对象
    private ReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();

    // 放对象方法：向缓存中添加一个键值对
    public void put(String key, String value) {
        // 获取写锁，以确保当前操作是独占的
        rw.writeLock().lock();
        try {
            // 执行写操作，将键值对放入 map
            map.put(key, value);
        } finally {
            // 释放写锁
            rw.writeLock().unlock();
        }
    }

    // 取对象方法：从缓存中获取一个值
    public String get(String key) {
        // 获取读锁，允许并发读操作
        rw.readLock().lock();
        try {
            // 执行读操作，从 map 中获取值
            return map.get(key);
        } finally {
            // 释放读锁
            rw.readLock().unlock();
        }
    }
}

使用读写锁操作 HashMap 是一个非常经典的技巧，消息中间件 RockeMQ NameServer （名字服务）保存和查询路由信息都是通过这种技巧实现的。

另外，读写锁可以操作多个 HashMap ，相比 ConcurrentHashMap 而言，ReadWriteLock 可以控制缓存对象的颗粒度，具备更大的灵活性。

4.Collections.synchronizedMap : 读写均加锁

如下代码，当我们多线程使用 userMap 时，

static Map<Long, User> userMap = Collections.synchronizedMap(new HashMap<Long, User>());

进入 synchronizedMap 方法：

public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
       return new SynchronizedMap<>(m);
}

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SynchronizedMap 内部包含一个对象锁 Object mutex ，它本质上是一个包装类，将 HashMap 的读写操作重新实现了一次，我们看到每次读写时，都会用 synchronized 关键字来保证操作的线程安全。

虽然 Collections.synchronizedMap 这种技巧使用起来非常简单，但是我们需要理解它的每次读写都会加锁，性能并不会特别好。

5.总结

这篇文章，笔者总结了四种线程安全的使用 HashMap 的技巧。

1）方法内部：每个线程创建单独的 HashMap

这是我们使用最普遍，也是非常可靠的方式。每个线程在方法体内部创建HashMap实例，在多线程环境下，不需要对HashMap进行任何同步操作。

2） 配置数据：初始化单线程写，后续只提供读

中间件在启动时，会读取配置文件，将配置数据写入到 HashMap 中，主线程写完之后，以后不会再有写入操作，其他的线程可以读取，不会产生线程安全问题。

3）读写锁：读读不互斥，读写互斥，写写互斥

读写锁是一把锁分为两部分：读锁和写锁，其中读锁允许多个线程同时获得，而写锁则是互斥锁。

它的规则是：读读不互斥，读写互斥，写写互斥，适用于读多写少的业务场景。

使用读写锁操作 HashMap 是一个非常经典的技巧，消息中间件 RockeMQ NameServer （名字服务）保存和查询路由信息都是通过这种技巧实现的。

4）Collections.synchronizedMap : 读写均加锁

Collections.synchronizedMap 方法使用了装饰器模式为线程不安全的 HashMap 提供了一个线程安全的装饰器类 SynchronizedMap。

通过 SynchronizedMap 来间接的保证对 HashMap 的操作是线程安全，而 SynchronizedMap 底层也是通过 synchronized 关键字来保证操作的线程安全。