Java中ConcurrentHashMap创建唯一Item的线程安全问题及优化

问题场景 #

需要创建名称唯一的Item并缓存后返回，运行在多线程环境中，现有代码存在线程安全问题，具体问题标注在代码注释中：

class ItemOperations {

    private ConcurrentMap<String, Item> store = new ConcurrentHashMap<>();

    Item createItem(String name) throws Exception {

        // 我认为该操作因ConcurrentHashMap而具备线程安全性
        if (store.containsKey(name)) {
            throw new Exception("Already Exists");
        }

        // Item创建是耗时操作
        Item newItem = new Item();
        // *问题1*：上述代码中，多个线程会创建多个不同的对象，对吗？


        // putIfAbsent因ConcurrentMap具备线程安全性..
        // 失败的线程不会更新值..（若有误请指正）
        store.putIfAbsent("newItemName", newItem);


        // *问题2*：不同线程会返回不同的对象，第二个线程返回的是一个临时创建但未存入store的新对象，这会返回错误数据
        return newItem;
    }
}

问题解答 #

关于问题1 #

是的，多个线程会创建多个不同的Item对象。因为containsKey判断和Item对象创建这两步不是原子操作：当线程A执行完containsKey确认名称不存在后，还没执行putIfAbsent时，线程B也可能完成containsKey判断并得到同样的“不存在”结果，进而创建新的Item对象。

关于问题2 #

没错，后执行putIfAbsent的线程会操作失败（已有线程完成了对象存入），但它返回的是自己创建的未被缓存的Item对象，导致调用方拿到的对象与缓存中的不一致，属于错误数据。

修复方案 #

不需要用synchronized包裹整个方法（那样会完全丧失ConcurrentHashMap的并发优势，大幅降低性能），可以利用ConcurrentMap的computeIfAbsent方法，它能保证检查存在性+创建对象+存入缓存整个逻辑的原子性：

class ItemOperations {

    private ConcurrentMap<String, Item> store = new ConcurrentHashMap<>();

    Item createItem(String name) throws Exception {
        // 先快速检查，利用ConcurrentHashMap get方法的线程安全性
        Item existing = store.get(name);
        if (existing != null) {
            throw new Exception("Already Exists");
        }
        
        // 原子性创建并存入：仅当name不存在时才执行lambda创建对象
        Item newItem = store.computeIfAbsent(name, key -> new Item());
        
        // 二次校验：避免get之后、computeIfAbsent之前，其他线程已创建该名称的Item
        if (newItem != store.get(name)) {
            throw new Exception("Already Exists");
        }
        
        return newItem;
    }
}

对原有思考的分析 #

• 用synchronized包裹整个方法确实能解决问题，但会把并发操作强制转为串行，完全浪费了ConcurrentHashMap的并发性能，不推荐。
• 用put替代putIfAbsent更不可取：put会覆盖已有的值，不仅产生无用写入，还会导致先存入的正确Item被后续线程的对象覆盖，直接破坏数据唯一性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者HyperVol