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简介
ConcurrentHashMap 是 HashMap 的线程安全版本，内部也是使用（数组 + 链表 + 红黑树）的结构来存储元素。
相比于同样线程安全的 HashTable 来说，效率等各方面都有极大地提高。
用到锁的简介
这里先简单介绍一下各种锁，以便下文讲到相关概念时能有个印象。
synchronized
java 中的关键字，内部实现为监视器锁，主要是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。
synchronized 从旧版本到现在已经做了很多优化了，在运行时会有三种存在方式：偏向锁，轻量级锁，重量级锁。
偏向锁，是指一段同步代码一直被一个线程访问，那么这个线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。
轻量级锁，是指当锁是偏向锁时，被另一个线程所访问，偏向锁会升级为轻量级锁，这个线程会通过自旋的方式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。
重量级锁，是指当锁是轻量级锁时，当自旋的线程自旋了一定的次数后，还没有获取到锁，就会进入阻塞状态，该锁升级为重量级锁，重量级锁会使其他线程阻塞，性能降低。
CAS
CAS，Compare And Swap，它是一种乐观锁，认为对于同一个数据的并发操作不一定会发生修改，在更新数据的时候，尝试去更新数据，如果失败就不断尝试。
volatile（非锁）
java 中的关键字，当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
volatile 只保证可见性，不保证原子性，比如 volatile 修改的变量 i，针对 i ++ 操作，不保证每次结果都正确，因为 i ++ 操作是两步操作，相当于 i = i +1，先读取，再加 1，这种情况 volatile 是无法保证的。
自旋锁
自旋锁，是指尝试获取锁的线程不会阻塞，而是循环的方式不断尝试，这样的好处是减少线程的上下文切换带来的开锁，提高性能，缺点是循环会消耗 CPU。
分段锁
分段锁，是一种锁的设计思路，它细化了锁的粒度，主要运用在 ConcurrentHashMap 中，实现高效的并发操作，当操作不需要更新整个数组时，就只锁数组中的一项就可以了。
ReentrantLock
可重入锁，是指一个线程获取锁之后再尝试获取锁时会自动获取锁，可重入锁的优点是避免死锁，synchronized 也是可重入锁。
源码分析
构造方法
public ConcurrentHashMap() {}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
this.sizeCtl = cap;
}
public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
putAll(m);
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {this(initialCapacity, loadFactor, 1);
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (initialCapacity < concurrencyLevel) // Use at least as many bins
initialCapacity = concurrencyLevel; // as estimated threads
long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
this.sizeCtl = cap;
}
构造方法与 HashMap 对比可以发现，没有了 HashMap 中的 threshold 和 loadFactor，而是改用了 sizeCtl 来控制，而且只存储了容量在里面，官方给出的解释如下：
- “-1″，表示有线程正在进行初始化操作
- -(1 + nThreads)，表示有 n 个线程正在一起扩容
- 0，默认值，后续在真正初始化的时候使用默认容量
- “> 0″，初始化或扩容完成后下一次的扩容门槛
增加元素
public V put(K key, V value) {return putVal(key, value, false);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// key 和 value 都不能为 null
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
// 计算 hash 值
int hash = spread(key.hashCode());
// 要插入的元素所在桶的元素个数
int binCount = 0;
// 死循环，结合 CAS 使用（如果 CAS 失败，则会重新取整个桶进行下面的流程）for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
// 如果桶未初始化或者桶个数为 0，则初始化桶
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
// 如果要插入的元素所在的桶还没有元素，则把这个元素插入到这个桶中
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
// 如果使用 CAS 插入元素时，发现已经有元素了，则进入下一次循环，重新操作
// 如果使用 CAS 插入元素成功，则 break 跳出循环，流程结束
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
// 如果要插入的元素所在的桶的第一个元素的 hash 是 MOVED，则当前线程帮忙一起迁移元素
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
// 如果这个桶不为空且不在迁移元素，则锁住这个桶（分段锁）// 并查找要插入的元素是否在这个桶中
// 存在，则替换值（onlyIfAbsent=false）// 不存在，则插入到链表结尾或插入树中
V oldVal = null;
synchronized (f) {
// 再次检测第一个元素是否有变化，如果有变化则进入下一次循环，从头来过
if (tabAt(tab, i) == f) {
// 如果第一个元素的 hash 值大于等于 0（说明不是在迁移，也不是树）// 那就是桶中的元素使用的是链表方式存储
if (fh >= 0) {
// 桶中元素个数赋值为 1
binCount = 1;
// 遍历整个桶，每次结束 binCount 加 1
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
// 如果找到了这个元素，则赋值了新值（onlyIfAbsent=false）// 并退出循环
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
// 如果到链表尾部还没有找到元素
// 就把它插入到链表结尾并退出循环
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {
// 如果第一个元素是树节点
Node<K,V> p;
// 桶中元素个数赋值为 2
binCount = 2;
// 调用红黑树的插入方法插入元素
// 如果成功插入则返回 null
// 否则返回寻找到的节点
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
// 如果找到了这个元素，则赋值了新值（onlyIfAbsent=false）// 并退出循环
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
// 如果 binCount 不为 0，说明成功插入了元素或者寻找到了元素
if (binCount != 0) {
// 如果链表元素个数达到了 8，则尝试树化
// 因为上面把元素插入到树中时，binCount 只赋值了 2，并没有计算整个树中元素的个数
// 所以不会重复树化
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
// 如果要插入的元素已经存在，则返回旧值
if (oldVal != null)
return oldVal;
// 退出外层大循环，流程结束
break;
}
}
}
// 成功插入元素，元素个数加 1（是否要扩容在这个里面）addCount(1L, binCount);
// 成功插入元素返回 null
return null;
}
整体流程跟 HashMap 比较类似，大致是以下几步：
- 如果桶数组未初始化，则初始化；
- 如果待插入的元素所在的桶为空，则尝试把此元素直接插入到桶的第一个位置；
- 如果正在扩容，则当前线程一起加入到扩容的过程中；
- 如果待插入的元素所在的桶不为空且不在迁移元素，则锁住这个桶（分段锁）；
- 如果当前桶中元素以链表方式存储，则在链表中寻找该元素或者插入元素；
- 如果当前桶中元素以红黑树方式存储，则在红黑树中寻找该元素或者插入元素；
- 如果元素存在，则返回旧值；
- 如果元素不存在，整个 Map 的元素个数加 1，并检查是否需要扩容；
添加元素操作中使用的锁主要有（自旋锁 + CAS + synchronized + 分段锁）。
为什么使用 synchronized 而不是 ReentrantLock？
因为 synchronized 已经得到了极大地优化，在特定情况下并不比 ReentrantLock 差。
初始化桶数组
第一次放元素时，初始化桶数组。
private final Node<K,V>[] initTable() {Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {if ((sc = sizeCtl) < 0)
// 如果 sizeCtl<0 说明正在初始化或者扩容，让出 CPU
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
// 如果把 sizeCtl 原子更新为 - 1 成功，则当前线程进入初始化
// 如果原子更新失败则说明有其它线程先一步进入初始化了，则进入下一次循环
// 如果下一次循环时还没初始化完毕，则 sizeCtl<0 进入上面 if 的逻辑让出 CPU
// 如果下一次循环更新完毕了，则 table.length!=0，退出循环
try {
// 再次检查 table 是否为空，防止 ABA 问题
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
// 如果 sc 为 0 则使用默认值 16
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
// 新建数组
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
// 赋值给 table 桶数组
table = tab = nt;
// 设置 sc 为数组长度的 0.75 倍
// n - (n >>> 2) = n - n/4 = 0.75n
// 可见这里装载因子和扩容门槛都是写死了的
// 这也正是没有 threshold 和 loadFactor 属性的原因
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
// 把 sc 赋值给 sizeCtl，这时存储的是扩容门槛
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
- 使用 CAS 锁控制只有一个线程初始化桶数组；
- sizeCtl 在初始化后存储的是扩容门槛；
- 扩容门槛写死的是桶数组大小的 0.75 倍，桶数组大小即 map 的容量，也就是最多存储多少个元素。
判断是否需要扩容
每次添加元素后，元素数量加 1，并判断是否达到扩容门槛，达到了则进行扩容或协助扩容。
private final void addCount(long x, int check) {CounterCell[] as; long b, s;
// 这里使用的思想跟 LongAdder 类是一模一样的（后面会讲）// 把数组的大小存储根据不同的线程存储到不同的段上（也是分段锁的思想）// 并且有一个 baseCount，优先更新 baseCount，如果失败了再更新不同线程对应的段
// 这样可以保证尽量小的减少冲突
// 先尝试把数量加到 baseCount 上，如果失败再加到分段的 CounterCell 上
if ((as = counterCells) != null ||
!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
CounterCell a; long v; int m;
boolean uncontended = true;
// 如果 as 为空
// 或者长度为 0
// 或者当前线程所在的段为 null
// 或者在当前线程的段上加数量失败
if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
(a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
!(uncontended =
U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
// 强制增加数量（无论如何数量是一定要加上的，并不是简单地自旋）// 不同线程对应不同的段都更新失败了
// 说明已经发生冲突了，那么就对 counterCells 进行扩容
// 以减少多个线程 hash 到同一个段的概率
fullAddCount(x, uncontended);
return;
}
if (check <= 1)
return;
// 计算元素个数
s = sumCount();}
if (check >= 0) {Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
// 如果元素个数达到了扩容门槛，则进行扩容
// 注意，正常情况下 sizeCtl 存储的是扩容门槛，即容量的 0.75 倍
while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
// rs 是扩容时的一个邮戳标识
int rs = resizeStamp(n);
if (sc < 0) {
// sc<0 说明正在扩容中
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
// 扩容已经完成了，退出循环
// 正常应该只会触发 nextTable==null 这个条件，其它条件没看出来何时触发
break;
// 扩容未完成，则当前线程加入迁移元素中
// 并把扩容线程数加 1
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
transfer(tab, nt);
}
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
// 这里是触发扩容的那个线程进入的地方
// sizeCtl 的高 16 位存储着 rs 这个扩容邮戳
// sizeCtl 的低 16 位存储着扩容线程数加 1，即(1+nThreads)
// 所以官方说的扩容时 sizeCtl 的值为 -(1+nThreads)是错误的
// 进入迁移元素
transfer(tab, null);
// 重新计算元素个数
s = sumCount();}
}
}
- 元素个数的存储方式类似于 LongAdder 类，存储在不同的段上，减少不同线程同时更新 size 时的冲突；
- 计算元素个数时把这些段的值及 baseCount 相加算出总的元素个数；
- 正常情况下 sizeCtl 存储着扩容门槛，扩容门槛为容量的 0.75 倍；
- 扩容时 sizeCtl 高位存储扩容邮戳(resizeStamp)，低位存储扩容线程数加 1（1+nThreads）；
- 其它线程添加元素后如果发现存在扩容，也会加入的扩容行列中来；
协助扩容（迁移元素）
线程添加元素时发现正在扩容且当前元素所在的桶元素已经迁移完成了，则协助迁移其它桶的元素。
final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {Node<K,V>[] nextTab; int sc;
// 如果桶数组不为空，并且当前桶第一个元素为 ForwardingNode 类型，并且 nextTab 不为空
// 说明当前桶已经迁移完毕了，才去帮忙迁移其它桶的元素
// 扩容时会把旧桶的第一个元素置为 ForwardingNode，并让其 nextTab 指向新桶数组
if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
(nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {int rs = resizeStamp(tab.length);
// sizeCtl<0，说明正在扩容
while (nextTab == nextTable && table == tab &&
(sc = sizeCtl) < 0) {if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
break;
// 扩容线程数加 1
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
// 当前线程帮忙迁移元素
transfer(tab, nextTab);
break;
}
}
return nextTab;
}
return table;
}
当前桶元素迁移完成了才去协助迁移其它桶元素；
迁移元素
扩容时容量变为两倍，并把部分元素迁移到其它桶中。
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
if (nextTab == null) { // initiating
// 如果 nextTab 为空，说明还没开始迁移
// 就新建一个新桶数组
try {
// 新桶数组是原桶的两倍
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
transferIndex = n;
}
// 新桶数组大小
int nextn = nextTab.length;
// 新建一个 ForwardingNode 类型的节点，并把新桶数组存储在里面
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
// 整个 while 循环就是在算 i 的值，过程太复杂，不用太关心
// i 的值会从 n - 1 依次递减，感兴趣的可以打下断点就知道了
// 其中 n 是旧桶数组的大小，也就是说 i 从 15 开始一直减到 1 这样去迁移元素
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
// 如果一次遍历完成了
// 也就是整个 map 所有桶中的元素都迁移完成了
int sc;
if (finishing) {
// 如果全部迁移完成了，则替换旧桶数组
// 并设置下一次扩容门槛为新桶数组容量的 0.75 倍
nextTable = null;
table = nextTab;
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
return;
}
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
// 当前线程扩容完成，把扩容线程数 -1
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
// 扩容完成两边肯定相等
return;
// 把 finishing 设置为 true
// finishing 为 true 才会走到上面的 if 条件
finishing = advance = true;
// i 重新赋值为 n
// 这样会再重新遍历一次桶数组，看看是不是都迁移完成了
// 也就是第二次遍历都会走到下面的(fh = f.hash) == MOVED 这个条件
i = n; // recheck before commit
}
}
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
// 如果桶中无数据，直接放入 ForwardingNode 标记该桶已迁移
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
// 如果桶中第一个元素的 hash 值为 MOVED
// 说明它是 ForwardingNode 节点
// 也就是该桶已迁移
advance = true; // already processed
else {
// 锁定该桶并迁移元素
synchronized (f) {
// 再次判断当前桶第一个元素是否有修改
// 也就是可能其它线程先一步迁移了元素
if (tabAt(tab, i) == f) {
// 把一个链表分化成两个链表
// 规则是桶中各元素的 hash 与桶大小 n 进行与操作
// 等于 0 的放到低位链表 (low) 中，不等于 0 的放到高位链表 (high) 中
// 其中低位链表迁移到新桶中的位置相对旧桶不变
// 高位链表迁移到新桶中位置正好是其在旧桶的位置加 n
// 这也正是为什么扩容时容量在变成两倍的原因
Node<K,V> ln, hn;
if (fh >= 0) {
// 第一个元素的 hash 值大于等于 0
// 说明该桶中元素是以链表形式存储的
// 这里与 HashMap 迁移算法基本类似
// 唯一不同的是多了一步寻找 lastRun
// 这里的 lastRun 是提取出链表后面不用处理再特殊处理的子链表
// 比如所有元素的 hash 值与桶大小 n 与操作后的值分别为 0 0 4 4 0 0 0
// 则最后后面三个 0 对应的元素肯定还是在同一个桶中
// 这时 lastRun 对应的就是倒数第三个节点
// 至于为啥要这样处理，我也没太搞明白
int runBit = fh & n;
Node<K,V> lastRun = f;
for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
int b = p.hash & n;
if (b != runBit) {
runBit = b;
lastRun = p;
}
}
// 看看最后这几个元素归属于低位链表还是高位链表
if (runBit == 0) {
ln = lastRun;
hn = null;
}
else {
hn = lastRun;
ln = null;
}
// 遍历链表，把 hash&n 为 0 的放在低位链表中
// 不为 0 的放在高位链表中
for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
if ((ph & n) == 0)
ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
else
hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
}
// 低位链表的位置不变
setTabAt(nextTab, i, ln);
// 高位链表的位置是原位置加 n
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
// 标记当前桶已迁移
setTabAt(tab, i, fwd);
// advance 为 true，返回上面进行 -- i 操作
advance = true;
}
else if (f instanceof TreeBin) {
// 如果第一个元素是树节点
// 也是一样，分化成两颗树
// 也是根据 hash&n 为 0 放在低位树中
// 不为 0 放在高位树中
TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
// 遍历整颗树，根据 hash&n 是否为 0 分化成两颗树
for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
int h = e.hash;
TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
(h, e.key, e.val, null, null);
if ((h & n) == 0) {if ((p.prev = loTail) == null)
lo = p;
else
loTail.next = p;
loTail = p;
++lc;
}
else {if ((p.prev = hiTail) == null)
hi = p;
else
hiTail.next = p;
hiTail = p;
++hc;
}
}
// 如果分化的树中元素个数小于等于 6，则退化成链表
ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
(hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
(lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
// 低位树的位置不变
setTabAt(nextTab, i, ln);
// 高位树的位置是原位置加 n
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
// 标记该桶已迁移
setTabAt(tab, i, fwd);
// advance 为 true，返回上面进行 -- i 操作
advance = true;
}
}
}
}
}
}
- 新桶数组大小是旧桶数组的两倍；
- 迁移元素先从靠后的桶开始；
- 迁移完成的桶在里面放置一 ForwardingNode 类型的元素，标记该桶迁移完成；
- 迁移时根据 hash&n 是否等于 0 把桶中元素分化成两个链表或树；
- 低位链表（树）存储在原来的位置；
- 高们链表（树）存储在原来的位置加 n 的位置；
- 迁移元素时会锁住当前桶，也是分段锁的思想；
正文完
发表至： java
2019-08-17
