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深入學(xué)習(xí)java并發(fā)包ConcurrentHashMap源碼

 更新時(shí)間:2019年06月18日 11:34:14   作者:chen_hao  
這篇文章主要介紹了深入學(xué)習(xí)java并發(fā)包ConcurrentHashMap源碼,整個(gè) ConcurrentHashMap 由一個(gè)個(gè) Segment 組成,Segment 代表”部分“或”一段“的意思,所以很多地方都會(huì)將其描述為分段鎖。,需要的朋友可以參考下

正文

以前寫(xiě)過(guò)介紹HashMap的文章,文中提到過(guò)HashMap在put的時(shí)候,插入的元素超過(guò)了容量(由負(fù)載因子決定)的范圍就會(huì)觸發(fā)擴(kuò)容操作,就是rehash,這個(gè)會(huì)重新將原數(shù)組的內(nèi)容重新hash到新的擴(kuò)容數(shù)組中,在多線程的環(huán)境下,存在同時(shí)其他的元素也在進(jìn)行put操作,如果hash值相同,可能出現(xiàn)同時(shí)在同一數(shù)組下用鏈表表示,造成閉環(huán),導(dǎo)致在get時(shí)會(huì)出現(xiàn)死循環(huán),所以HashMap是線程不安全的。

JDK1.7的實(shí)現(xiàn)

整個(gè) ConcurrentHashMap 由一個(gè)個(gè) Segment 組成,Segment 代表”部分“或”一段“的意思,所以很多地方都會(huì)將其描述為分段鎖。注意,行文中,我很多地方用了“槽”來(lái)代表一個(gè) segment。

簡(jiǎn)單理解就是,ConcurrentHashMap 是一個(gè) Segment 數(shù)組,Segment 通過(guò)繼承 ReentrantLock 來(lái)進(jìn)行加鎖,所以每次需要加鎖的操作鎖住的是一個(gè) segment,這樣只要保證每個(gè) Segment 是線程安全的,也就實(shí)現(xiàn)了全局的線程安全。

concurrencyLevel:并行級(jí)別、并發(fā)數(shù)、Segment 數(shù)。默認(rèn)是 16,也就是說(shuō) ConcurrentHashMap 有 16 個(gè) Segments,所以理論上,這個(gè)時(shí)候,最多可以同時(shí)支持 16 個(gè)線程并發(fā)寫(xiě),只要它們的操作分別分布在不同的 Segment 上。這個(gè)值可以在初始化的時(shí)候設(shè)置為其他值,但是一旦初始化以后,它是不可以擴(kuò)容的。

再具體到每個(gè) Segment 內(nèi)部,其實(shí)每個(gè) Segment 很像之前介紹的 HashMap,不過(guò)它要保證線程安全,所以處理起來(lái)要麻煩些。

初始化
initialCapacity:初始容量,這個(gè)值指的是整個(gè) ConcurrentHashMap 的初始容量,實(shí)際操作的時(shí)候需要平均分給每個(gè) Segment。

loadFactor:負(fù)載因子,之前我們說(shuō)了,Segment 數(shù)組不可以擴(kuò)容,所以這個(gè)負(fù)載因子是給每個(gè) Segment 內(nèi)部使用的。

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
             float loadFactor, int concurrencyLevel) {
  if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
    throw new IllegalArgumentException();
  if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
    concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
  // Find power-of-two sizes best matching arguments
  int sshift = 0;
  int ssize = 1;
  // 計(jì)算并行級(jí)別 ssize,因?yàn)橐3植⑿屑?jí)別是 2 的 n 次方
  while (ssize < concurrencyLevel) {
    ++sshift;
    ssize <<= 1;
  }
  // 我們這里先不要那么燒腦,用默認(rèn)值,concurrencyLevel 為 16,sshift 為 4
  // 那么計(jì)算出 segmentShift 為 28,segmentMask 為 15,后面會(huì)用到這兩個(gè)值
  this.segmentShift = 32 - sshift;
  this.segmentMask = ssize - 1;
  if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
    initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  // initialCapacity 是設(shè)置整個(gè) map 初始的大小,
  // 這里根據(jù) initialCapacity 計(jì)算 Segment 數(shù)組中每個(gè)位置可以分到的大小
  // 如 initialCapacity 為 64,那么每個(gè) Segment 或稱之為"槽"可以分到 4 個(gè)
  int c = initialCapacity / ssize;
  if (c * ssize < initialCapacity)
    ++c;
  // 默認(rèn) MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY 是 2,這個(gè)值也是有講究的,因?yàn)檫@樣的話,對(duì)于具體的槽上,
  // 插入一個(gè)元素不至于擴(kuò)容,插入第二個(gè)的時(shí)候才會(huì)擴(kuò)容
  int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; 
  while (cap < c)
    cap <<= 1;
  // 創(chuàng)建 Segment 數(shù)組,
  // 并創(chuàng)建數(shù)組的第一個(gè)元素 segment[0]
  Segment<K,V> s0 =
    new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
             (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
  Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
  // 往數(shù)組寫(xiě)入 segment[0]
  UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
  this.segments = ss;
}

初始化完成,我們得到了一個(gè) Segment 數(shù)組。

我們就當(dāng)是用 new ConcurrentHashMap() 無(wú)參構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化的,那么初始化完成后:

  • Segment 數(shù)組長(zhǎng)度為 16,不可以擴(kuò)容
  • Segment[i] 的默認(rèn)大小為 2,負(fù)載因子是 0.75,得出初始閾值為 1.5,也就是以后插入第一個(gè)元素不會(huì)觸發(fā)擴(kuò)容,插入第二個(gè)會(huì)進(jìn)行第一次擴(kuò)容
  • 這里初始化了 segment[0],其他位置還是 null,至于為什么要初始化 segment[0],后面的代碼會(huì)介紹
  • 當(dāng)前 segmentShift 的值為 32 - 4 = 28,segmentMask 為 16 - 1 = 15,姑且把它們簡(jiǎn)單翻譯為移位數(shù)和掩碼,這兩個(gè)值馬上就會(huì)用到

Segment

static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
  transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
  transient int count;
  transient int modCount;
  
}

從上Segment的繼承體系可以看出,Segment實(shí)現(xiàn)了ReentrantLock,也就帶有鎖的功能,table使用volatile修飾,保證了內(nèi)存可見(jiàn)性。

put 過(guò)程分析

我們先看 put 的主流程,對(duì)于其中的一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)操作,后面會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

public V put(K key, V value) {
  Segment<K,V> s;
  if (value == null)
    throw new NullPointerException();
  // 1. 計(jì)算 key 的 hash 值
  int hash = hash(key);
  // 2. 根據(jù) hash 值找到 Segment 數(shù)組中的位置 j
  //  hash 是 32 位,無(wú)符號(hào)右移 segmentShift(28) 位,剩下高 4 位,
  //  然后和 segmentMask(15) 做一次與操作,也就是說(shuō) j 是 hash 值的高 4 位,也就是槽的數(shù)組下標(biāo)
  int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
  // 剛剛說(shuō)了,初始化的時(shí)候初始化了 segment[0],但是其他位置還是 null,
  // ensureSegment(j) 對(duì) segment[j] 進(jìn)行初始化
  if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject     // nonvolatile; recheck
     (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
    s = ensureSegment(j);
  // 3. 插入新值到 槽 s 中
  return s.put(key, hash, value, false);
}

初始化槽: ensureSegment

ConcurrentHashMap 初始化的時(shí)候會(huì)初始化第一個(gè)槽 segment[0],對(duì)于其他槽來(lái)說(shuō),在插入第一個(gè)值的時(shí)候進(jìn)行初始化。

這里需要考慮并發(fā),因?yàn)楹芸赡軙?huì)有多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)來(lái)初始化同一個(gè)槽 segment[k],不過(guò)只要有一個(gè)成功了就可以。

private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
  final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
  long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
  Segment<K,V> seg;
  if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
    // 這里看到為什么之前要初始化 segment[0] 了,
    // 使用當(dāng)前 segment[0] 處的數(shù)組長(zhǎng)度和負(fù)載因子來(lái)初始化 segment[k]
    // 為什么要用“當(dāng)前”,因?yàn)?segment[0] 可能早就擴(kuò)容過(guò)了
    Segment<K,V> proto = ss[0];
    int cap = proto.table.length;
    float lf = proto.loadFactor;
    int threshold = (int)(cap * lf);
    // 初始化 segment[k] 內(nèi)部的數(shù)組
    HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
      == null) { // 再次檢查一遍該槽是否被其他線程初始化了。
      Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
      // 使用 while 循環(huán),內(nèi)部用 CAS,當(dāng)前線程成功設(shè)值或其他線程成功設(shè)值后,退出,如果其他線程成功設(shè)置后,這里獲取到直接返回
      while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
          == null) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
          break;
      }
    }
  }
  return seg;
}

總的來(lái)說(shuō),ensureSegment(int k) 比較簡(jiǎn)單,對(duì)于并發(fā)操作使用 CAS 進(jìn)行控制。

第一層很簡(jiǎn)單,根據(jù) hash 值很快就能找到相應(yīng)的 Segment,之后就是 Segment 內(nèi)部的 put 操作了。

Segment 內(nèi)部是由 數(shù)組+鏈表 組成的

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
  // 在往該 segment 寫(xiě)入前,需要先獲取該 segment 的獨(dú)占鎖
  //  先看主流程,后面還會(huì)具體介紹這部分內(nèi)容
  HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
    scanAndLockForPut(key, hash, value);
  V oldValue;
  try {
    // 這個(gè)是 segment 內(nèi)部的數(shù)組
    HashEntry<K,V>[] tab = table;
    // 再利用 hash 值,求應(yīng)該放置的數(shù)組下標(biāo)
    int index = (tab.length - 1) & hash;
    // first 是數(shù)組該位置處的鏈表的表頭
    HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);

    // 下面這串 for 循環(huán)雖然很長(zhǎng),不過(guò)也很好理解,想想該位置沒(méi)有任何元素和已經(jīng)存在一個(gè)鏈表這兩種情況
    for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
      if (e != null) {
        K k;
        if ((k = e.key) == key ||
          (e.hash == hash && key.equals(k))) {
          oldValue = e.value;
          if (!onlyIfAbsent) {
            // 覆蓋舊值
            e.value = value;
            ++modCount;
          }
          break;
        }
        // 繼續(xù)順著鏈表走
        e = e.next;
      }
      else {
        // node 到底是不是 null,這個(gè)要看獲取鎖的過(guò)程,不過(guò)和這里都沒(méi)有關(guān)系。
        // 如果不為 null,那就直接將它設(shè)置為鏈表表頭;如果是null,初始化并設(shè)置為鏈表表頭。
        if (node != null)
          node.setNext(first);
        else
          node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);

        int c = count + 1;
        // 如果超過(guò)了該 segment 的閾值,這個(gè) segment 需要擴(kuò)容
        if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
          rehash(node); // 擴(kuò)容后面也會(huì)具體分析
        else
          // 沒(méi)有達(dá)到閾值,將 node 放到數(shù)組 tab 的 index 位置,
          // 其實(shí)就是將新的節(jié)點(diǎn)設(shè)置成原鏈表的表頭
          setEntryAt(tab, index, node);
        ++modCount;
        count = c;
        oldValue = null;
        break;
      }
    }
  } finally {
    // 解鎖
    unlock();
  }
  return oldValue;
}

整體流程還是比較簡(jiǎn)單的,由于有獨(dú)占鎖的保護(hù),所以 segment 內(nèi)部的操作并不復(fù)雜。至于這里面的并發(fā)問(wèn)題,我們稍后再進(jìn)行介紹。

到這里 put 操作就結(jié)束了,接下來(lái),我們說(shuō)一說(shuō)其中幾步關(guān)鍵的操作。

獲取寫(xiě)入鎖: scanAndLockForPut

前面我們看到,在往某個(gè) segment 中 put 的時(shí)候,首先會(huì)調(diào)用 node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value),也就是說(shuō)先進(jìn)行一次 tryLock() 快速獲取該 segment 的獨(dú)占鎖,如果失敗,那么進(jìn)入到 scanAndLockForPut 這個(gè)方法來(lái)獲取鎖。

下面我們來(lái)具體分析這個(gè)方法中是怎么控制加鎖的。

private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
  HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
  HashEntry<K,V> e = first;
  HashEntry<K,V> node = null;
  int retries = -1; // negative while locating node
  // 循環(huán)獲取鎖
  while (!tryLock()) {
    HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
    if (retries < 0) {
      if (e == null) {
        if (node == null) // speculatively create node
          // 進(jìn)到這里說(shuō)明數(shù)組該位置的鏈表是空的,沒(méi)有任何元素
          // 當(dāng)然,進(jìn)到這里的另一個(gè)原因是 tryLock() 失敗,所以該槽存在并發(fā),不一定是該位置
          node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
        retries = 0;
      }
      else if (key.equals(e.key))
        retries = 0;
      else
        // 順著鏈表往下走
        e = e.next;
    }
    // 重試次數(shù)如果超過(guò) MAX_SCAN_RETRIES(單核1多核64),那么不搶了,進(jìn)入到阻塞隊(duì)列等待鎖
    //  lock() 是阻塞方法,直到獲取鎖后返回
    else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
      lock();
      break;
    }
    else if ((retries & 1) == 0 &&
         // 這個(gè)時(shí)候是有大問(wèn)題了,那就是有新的元素進(jìn)到了鏈表,成為了新的表頭
         //   所以這邊的策略是,相當(dāng)于重新走一遍這個(gè) scanAndLockForPut 方法
         (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
      e = first = f; // re-traverse if entry changed
      retries = -1;
    }
  }
  return node;
}

這個(gè)方法有兩個(gè)出口,一個(gè)是 tryLock() 成功了,循環(huán)終止,另一個(gè)就是重試次數(shù)超過(guò)了 MAX_SCAN_RETRIES,進(jìn)到 lock() 方法,此方法會(huì)阻塞等待,直到成功拿到獨(dú)占鎖。

這個(gè)方法就是看似復(fù)雜,但是其實(shí)就是做了一件事,那就是獲取該 segment 的獨(dú)占鎖,如果需要的話順便實(shí)例化了一下 node。

獲取鎖時(shí),并不直接使用lock來(lái)獲取,因?yàn)樵摲椒ǐ@取鎖失敗時(shí)會(huì)掛起。事實(shí)上,它使用了自旋鎖,如果tryLock獲取鎖失敗,說(shuō)明鎖被其它線程占用,此時(shí)通過(guò)循環(huán)再次以tryLock的方式申請(qǐng)鎖。如果在循環(huán)過(guò)程中該Key所對(duì)應(yīng)的鏈表頭被修改,則重置retry次數(shù)。如果retry次數(shù)超過(guò)一定值,則使用lock方法申請(qǐng)鎖。

這里使用自旋鎖是因?yàn)樽孕i的效率比較高,但是它消耗CPU資源比較多,因此在自旋次數(shù)超過(guò)閾值時(shí)切換為互斥鎖。

擴(kuò)容: rehash

重復(fù)一下,segment 數(shù)組不能擴(kuò)容,擴(kuò)容是 segment 數(shù)組某個(gè)位置內(nèi)部的數(shù)組 HashEntry\<k,v>[] 進(jìn)行擴(kuò)容,擴(kuò)容后,容量為原來(lái)的 2 倍。

首先,我們要回顧一下觸發(fā)擴(kuò)容的地方,put 的時(shí)候,如果判斷該值的插入會(huì)導(dǎo)致該 segment 的元素個(gè)數(shù)超過(guò)閾值,那么先進(jìn)行擴(kuò)容,再插值,讀者這個(gè)時(shí)候可以回去 put 方法看一眼。

該方法不需要考慮并發(fā),因?yàn)榈竭@里的時(shí)候,是持有該 segment 的獨(dú)占鎖的。

// 方法參數(shù)上的 node 是這次擴(kuò)容后,需要添加到新的數(shù)組中的數(shù)據(jù)。
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
  HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
  int oldCapacity = oldTable.length;
  // 2 倍
  int newCapacity = oldCapacity << 1;
  threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
  // 創(chuàng)建新數(shù)組
  HashEntry<K,V>[] newTable =
    (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
  // 新的掩碼,如從 16 擴(kuò)容到 32,那么 sizeMask 為 31,對(duì)應(yīng)二進(jìn)制 ‘000...00011111'
  int sizeMask = newCapacity - 1;

  // 遍歷原數(shù)組,老套路,將原數(shù)組位置 i 處的鏈表拆分到 新數(shù)組位置 i 和 i+oldCap 兩個(gè)位置
  for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
    // e 是鏈表的第一個(gè)元素
    HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
    if (e != null) {
      HashEntry<K,V> next = e.next;
      // 計(jì)算應(yīng)該放置在新數(shù)組中的位置,
      // 假設(shè)原數(shù)組長(zhǎng)度為 16,e 在 oldTable[3] 處,那么 idx 只可能是 3 或者是 3 + 16 = 19
      int idx = e.hash & sizeMask;
      if (next == null)  // 該位置處只有一個(gè)元素,那比較好辦
        newTable[idx] = e;
      else { // Reuse consecutive sequence at same slot
        // e 是鏈表表頭
        HashEntry<K,V> lastRun = e;
        // idx 是當(dāng)前鏈表的頭結(jié)點(diǎn) e 的新位置
        int lastIdx = idx;

        // 下面這個(gè) for 循環(huán)會(huì)找到一個(gè) lastRun 節(jié)點(diǎn),這個(gè)節(jié)點(diǎn)之后的所有元素是將要放到一起的
        for (HashEntry<K,V> last = next;
           last != null;
           last = last.next) {
          int k = last.hash & sizeMask;
          if (k != lastIdx) {
            lastIdx = k;
            lastRun = last;
          }
        }
        // 將 lastRun 及其之后的所有節(jié)點(diǎn)組成的這個(gè)鏈表放到 lastIdx 這個(gè)位置
        newTable[lastIdx] = lastRun;
        // 下面的操作是處理 lastRun 之前的節(jié)點(diǎn),
        //  這些節(jié)點(diǎn)可能分配在另一個(gè)鏈表中,也可能分配到上面的那個(gè)鏈表中
        for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
          V v = p.value;
          int h = p.hash;
          int k = h & sizeMask;
          HashEntry<K,V> n = newTable[k];
          newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
        }
      }
    }
  }
  // 將新來(lái)的 node 放到新數(shù)組中剛剛的 兩個(gè)鏈表之一 的 頭部
  int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
  node.setNext(newTable[nodeIndex]);
  newTable[nodeIndex] = node;
  table = newTable;
}

總結(jié)一下put的流程:

當(dāng)執(zhí)行put操作時(shí),會(huì)進(jìn)行第一次key的hash來(lái)定位Segment的位置,如果該Segment還沒(méi)有初始化,即通過(guò)CAS操作進(jìn)行賦值,然后進(jìn)行第二次hash操作,找到相應(yīng)的HashEntry的位置,這里會(huì)利用繼承過(guò)來(lái)的鎖的特性,在將數(shù)據(jù)插入指定的HashEntry位置時(shí)(鏈表的尾端),會(huì)通過(guò)繼承ReentrantLock的tryLock()方法嘗試去獲取鎖,如果獲取成功就直接插入相應(yīng)的位置,如果已經(jīng)有線程獲取該Segment的鎖,那當(dāng)前線程會(huì)以自旋的方式去繼續(xù)的調(diào)用tryLock()方法去獲取鎖,超過(guò)指定次數(shù)就掛起,等待喚醒。

get 過(guò)程分析

相對(duì)于 put 來(lái)說(shuō),get 真的不要太簡(jiǎn)單。

1.計(jì)算 hash 值,找到 segment 數(shù)組中的具體位置,或我們前面用的“槽”

2.槽中也是一個(gè)數(shù)組,根據(jù) hash 找到數(shù)組中具體的位置

3.到這里是鏈表了,順著鏈表進(jìn)行查找即可

public V get(Object key) {
  Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
  HashEntry<K,V>[] tab;
  // 1. hash 值
  int h = hash(key);
  long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
  // 2. 根據(jù) hash 找到對(duì)應(yīng)的 segment
  if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
    (tab = s.table) != null) {
    // 3. 找到segment 內(nèi)部數(shù)組相應(yīng)位置的鏈表,遍歷
    for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
         (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
       e != null; e = e.next) {
      K k;
      if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
        return e.value;
    }
  }
  return null;
}

size操作

put、remove和get操作只需要關(guān)心一個(gè)Segment,而size操作需要遍歷所有的Segment才能算出整個(gè)Map的大小。一個(gè)簡(jiǎn)單的方案是,先鎖住所有Sgment,計(jì)算完后再解鎖。但這樣做,在做size操作時(shí),不僅無(wú)法對(duì)Map進(jìn)行寫(xiě)操作,同時(shí)也無(wú)法進(jìn)行讀操作,不利于對(duì)Map的并行操作。

為更好支持并發(fā)操作,ConcurrentHashMap會(huì)在不上鎖的前提逐個(gè)Segment計(jì)算3次size,如果某相鄰兩次計(jì)算獲取的所有Segment的更新次數(shù)(每個(gè)Segment都與HashMap一樣通過(guò)modCount跟蹤自己的修改次數(shù),Segment每修改一次其modCount加一)相等,說(shuō)明這兩次計(jì)算過(guò)程中無(wú)更新操作,則這兩次計(jì)算出的總size相等,可直接作為最終結(jié)果返回。如果這三次計(jì)算過(guò)程中Map有更新,則對(duì)所有Segment加鎖重新計(jì)算Size。該計(jì)算方法代碼如下

public int size() {
 final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
 int size;
 boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
 long sum;     // sum of modCounts
 long last = 0L;  // previous sum
 int retries = -1; // first iteration isn't retry
 try {
  for (;;) {
   if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
    for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
     ensureSegment(j).lock(); // force creation
   }
   sum = 0L;
   size = 0;
   overflow = false;
   for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
    Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
    if (seg != null) {
     sum += seg.modCount;
     int c = seg.count;
     if (c < 0 || (size += c) < 0)
      overflow = true;
    }
   }
   if (sum == last)
    break;
   last = sum;
  }
 } finally {
  if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
   for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
    segmentAt(segments, j).unlock();
  }
 }
 return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}

ConcurrentHashMap的Size方法是一個(gè)嵌套循環(huán),大體邏輯如下:

1.遍歷所有的Segment。

2.把Segment的元素?cái)?shù)量累加起來(lái)。

3.把Segment的修改次數(shù)累加起來(lái)。

4.判斷所有Segment的總修改次數(shù)是否大于上一次的總修改次數(shù)。如果大于,說(shuō)明統(tǒng)計(jì)過(guò)程中有修改,重新統(tǒng)計(jì),嘗試次數(shù)+1;如果不是。說(shuō)明沒(méi)有修改,統(tǒng)計(jì)結(jié)束。

5.如果嘗試次數(shù)超過(guò)閾值,則對(duì)每一個(gè)Segment加鎖,再重新統(tǒng)計(jì)。

6.再次判斷所有Segment的總修改次數(shù)是否大于上一次的總修改次數(shù)。由于已經(jīng)加鎖,次數(shù)一定和上次相等。

7.釋放鎖,統(tǒng)計(jì)結(jié)束。

并發(fā)問(wèn)題分析

現(xiàn)在我們已經(jīng)說(shuō)完了 put 過(guò)程和 get 過(guò)程,我們可以看到 get 過(guò)程中是沒(méi)有加鎖的,那自然我們就需要去考慮并發(fā)問(wèn)題。

添加節(jié)點(diǎn)的操作 put 和刪除節(jié)點(diǎn)的操作 remove 都是要加 segment 上的獨(dú)占鎖的,所以它們之間自然不會(huì)有問(wèn)題,我們需要考慮的問(wèn)題就是 get 的時(shí)候在同一個(gè) segment 中發(fā)生了 put 或 remove 操作。

put 操作的線程安全性

  • 初始化槽,這個(gè)我們之前就說(shuō)過(guò)了,使用了 CAS 來(lái)初始化 Segment 中的數(shù)組。
  • 添加節(jié)點(diǎn)到鏈表的操作是插入到表頭的,所以,如果這個(gè)時(shí)候 get 操作在鏈表遍歷的過(guò)程已經(jīng)到了中間,是不會(huì)影響的。當(dāng)然,另一個(gè)并發(fā)問(wèn)題就是 get 操作在 put 之后,需要保證剛剛插入表頭的節(jié)點(diǎn)被讀取,這個(gè)依賴于 setEntryAt 方法中使用的 UNSAFE.putOrderedObject。
  • 擴(kuò)容。擴(kuò)容是新創(chuàng)建了數(shù)組,然后進(jìn)行遷移數(shù)據(jù),最后面將 newTable 設(shè)置給屬性 table。所以,如果 get 操作此時(shí)也在進(jìn)行,那么也沒(méi)關(guān)系,如果 get 先行,那么就是在舊的 table 上做查詢操作;而 put 先行,那么 put 操作的可見(jiàn)性保證就是 table 使用了 volatile 關(guān)鍵字。

remove 操作的線程安全性

  • remove 操作我們沒(méi)有分析源碼,所以這里說(shuō)的讀者感興趣的話還是需要到源碼中去求實(shí)一下的。
  • get 操作需要遍歷鏈表,但是 remove 操作會(huì)"破壞"鏈表。
  • 如果 remove 破壞的節(jié)點(diǎn) get 操作已經(jīng)過(guò)去了,那么這里不存在任何問(wèn)題。
  • 如果 remove 先破壞了一個(gè)節(jié)點(diǎn),分兩種情況考慮。 1、如果此節(jié)點(diǎn)是頭結(jié)點(diǎn),那么需要將頭結(jié)點(diǎn)的 next 設(shè)置為數(shù)組該位置的元素,table 雖然使用了 volatile 修飾,但是 volatile 并不能提供數(shù)組內(nèi)部操作的可見(jiàn)性保證,所以源碼中使用了 UNSAFE 來(lái)操作數(shù)組,請(qǐng)看方法 setEntryAt。2、如果要?jiǎng)h除的節(jié)點(diǎn)不是頭結(jié)點(diǎn),它會(huì)將要?jiǎng)h除節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)接到前驅(qū)節(jié)點(diǎn)中,這里的并發(fā)保證就是 next 屬性是 volatile 的。

最后我們來(lái)看看并發(fā)操作示意圖

Case1:不同Segment的并發(fā)寫(xiě)入

不同Segment的寫(xiě)入是可以并發(fā)執(zhí)行的。

Case2:同一Segment的一寫(xiě)一讀

同一Segment的寫(xiě)和讀是可以并發(fā)執(zhí)行的。

Case3:同一Segment的并發(fā)寫(xiě)入

Segment的寫(xiě)入是需要上鎖的,因此對(duì)同一Segment的并發(fā)寫(xiě)入會(huì)被阻塞。

由此可見(jiàn),ConcurrentHashMap當(dāng)中每個(gè)Segment各自持有一把鎖。在保證線程安全的同時(shí)降低了鎖的粒度,讓并發(fā)操作效率更高。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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