ConcurrentHashMap、synchronized与线程安全

最近做的项目中遇到一个问题：明明用了ConcurrentHashMap，可是始终线程不安全

除去项目中的业务逻辑，简化后的代码如下：

public class Test40 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(test());
        }
    }

    private static int test() throws InterruptedException {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            pool.execute(new MyTask(map));
        }
        pool.shutdown();
        pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);

        return map.get(MyTask.KEY);
    }
}

class MyTask implements Runnable {

    public static final String KEY = "key";

    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map;

    public MyTask(ConcurrentHashMap<String, Integer> map) {
        this.map = map;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            this.addup();
        }
    }

    private void addup() {
        if (!map.containsKey(KEY)) {
            map.put(KEY, 1);
        } else {
            map.put(KEY, map.get(KEY) + 1);
        }    
    }
}

测试代码跑了10次，每次都不是800。这就很让人疑惑了，难道ConcurrentHashMap的线程安全性失效了？

查了一些资料后发现，原来ConcurrentHashMap的线程安全指的是，它的每个方法单独调用（即原子操作）都是线程安全的，但是代码总体的互斥性并不受控制。以上面的代码为例，最后一行中的：

map.put(KEY, map.get(KEY) + 1);

实际上并不是原子操作，它包含了三步：

map.get
加1
map.put

其中第1和第3步，单独来说都是线程安全的，由ConcurrentHashMap保证。但是由于在上面的代码中，map本身是一个共享变量。当线程A执行map.get的时候，其它线程可能正在执行map.put，这样一来当线程A执行到map.put的时候，线程A的值就已经是脏数据了，然后脏数据覆盖了真值，导致线程不安全

简单地说，ConcurrentHashMap的get方法获取到的是此时的真值，但它并不保证当你调用put方法的时候，当时获取到的值仍然是真值

为了使上面的代码变得线程安全，我引入了synchronized关键字来修饰目标方法，如下：

public class Test40 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(test());
        }
    }

    private static int test() throws InterruptedException {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            pool.execute(new MyTask(map));
        }
        pool.shutdown();
        pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);

        return map.get(MyTask.KEY);
    }
}

class MyTask implements Runnable {

    public static final String KEY = "key";

    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map;

    public MyTask(ConcurrentHashMap<String, Integer> map) {
        this.map = map;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            this.addup();
        }
    }

    private synchronized void addup() { // 用关键字synchronized修饰addup方法
        if (!map.containsKey(KEY)) {
            map.put(KEY, 1);
        } else {
            map.put(KEY, map.get(KEY) + 1);
        }
    }

}

运行之后仍然是线程不安全的，难道synchronized也失效了？

查阅了synchronized的资料后，原来，不管synchronized是用来修饰方法，还是修饰代码块，其本质都是锁定某一个对象。修饰方法时，锁上的是调用这个方法的对象，即this；修饰代码块时，锁上的是括号里的那个对象

在上面的代码中，很明显就是锁定的MyTask对象本身。但是由于在每一个线程中，MyTask对象都是独立的，这就导致实际上每个线程都对自己的MyTask进行锁定，而并不会干涉其它线程的MyTask对象。换言之，上锁压根没有意义

理解到这点之后，对上面的代码又做了一次修改：

public class Test40 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(test());
        }
    }

    private static int test() throws InterruptedException {
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<String, Integer>();
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            pool.execute(new MyTask(map));
        }
        pool.shutdown();
        pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);

        return map.get(MyTask.KEY);
    }
}

class MyTask implements Runnable {

    public static final String KEY = "key";

    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map;

    public MyTask(ConcurrentHashMap<String, Integer> map) {
        this.map = map;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            synchronized (map) { // 对共享对象map上锁
                this.addup();
            }
        }
    }

    private void addup() {
        if (!map.containsKey(KEY)) {
            map.put(KEY, 1);
        } else {
            map.put(KEY, map.get(KEY) + 1);
        }
    }

}

此时在调用addup时直接锁定map，由于map是被所有线程共享的，因而达到了让所有线程互斥的目的，线程安全达成。

修改后，ConcurrentHashMap的作用就不大了，可以直接将代码中的map换成普通的HashMap，以减少由ConcurrentHashMap带来的锁开销

最后特别补充的是，synchronized关键字判断对象是否是它属于锁定的对象，本质上是通过 == 运算符来判断的。换句话说，上面的代码中，可以采用任何一个常量，或者每个线程都共享的变量，或者MyTask类的静态变量，来代替map。只要该变量与synchronized锁定的目标变量相同（==），就可以使synchronized生效

综上，代码最终可以修改为：

public class Test40 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(test());
        }
    }

    private static int test() throws InterruptedException {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            pool.execute(new MyTask(map));
        }
        pool.shutdown();
        pool.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);

        return map.get(MyTask.KEY);
    }
}

class MyTask implements Runnable {

    public static Object lock = new Object();

    public static final String KEY = "key";

    private Map<String, Integer> map;

    public MyTask(Map<String, Integer> map) {
        this.map = map;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            synchronized (lock) {
                this.addup();
            }
        }
    }

    private void addup() {
        if (!map.containsKey(KEY)) {
            map.put(KEY, 1);
        } else {
            map.put(KEY, map.get(KEY) + 1);
        }
    }

}

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