Java源碼解析之ConcurrentHashMap
早期 ConcurrentHashMap,其實現(xiàn)是基于:
- 分離鎖,也就是將內(nèi)部進行分段(Segment),里面則是 HashEntry 的數(shù)組,和 HashMap 類似,哈希相同的條目也是以鏈表形式存放。
- HashEntry 內(nèi)部使用 volatile 的 value 字段來保證可見性,也利用了不可變對象的機制以改進利用 Unsafe 提供的底層能力,比如 volatile access,去直接完成部分操作,以最優(yōu)化性能,畢竟 Unsafe 中的很多操作都是 JVM intrinsic 優(yōu)化過的。
在進行并發(fā)操作的時候,只需要鎖定相應(yīng)段,這樣就有效避免了類似 Hashtable 整體同步的問題,大大提高了性能。
Put操作
通過二次哈希避免哈希沖突,然后以 Unsafe 調(diào)用方式,直接獲取相應(yīng)的 Segment,然后進行線程安全的 put 操作
public V put(K key, V value) { Segment<K,V> s; if (value == null) throw new NullPointerException(); // 二次哈希,以保證數(shù)據(jù)的分散性,避免哈希沖突 int hash = hash(key.hashCode()); int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask; if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment s = ensureSegment(j); return s.put(key, hash, value, false); }
其核心邏輯實現(xiàn)在下面的內(nèi)部方法中:
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { // scanAndLockForPut 會去查找是否有 key 相同 Node // 無論如何,確保獲取鎖 HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); V oldValue; try { HashEntry<K,V>[] tab = table; int index = (tab.length - 1) & hash; HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index); for (HashEntry<K,V> e = first;;) { if (e != null) { K k; // 更新已有 value... } else { // 放置 HashEntry 到特定位置,如果超過閾值,進行 rehash // ... } } } finally { unlock(); } return oldValue; }
在寫的時候:
- ConcurrentHashMap 會獲取再入鎖,以保證數(shù)據(jù)一致性,Segment 本身就是基于 ReentrantLock 的擴展實現(xiàn),所以,在并發(fā)修改期間,相應(yīng) Segment 是被鎖定的。
- 在最初階段,進行重復(fù)性的掃描,以確定相應(yīng) key 值是否已經(jīng)在數(shù)組里面,進而決定是更新還是放置操作。
- 在 ConcurrentHashMap 中解決擴容的問題,不是整體的擴容,而是單獨對 Segment 進行擴容。
- 為了減少鎖定segment的開銷,ConcurrentHashMap 的實現(xiàn)是通過重試機制(RETRIES_BEFORE_LOCK,指定重試次數(shù) 2),來試圖獲得可靠值。如果沒有監(jiān)控到發(fā)生變化(通過對比 Segment.modCount),就直接返回,否則獲取鎖進行操作。
機制在Java 8 上的變化:
- 總體結(jié)構(gòu)上,它的內(nèi)部存儲與HashMap 結(jié)構(gòu)非常相似,同樣是大的桶(bucket)數(shù)組,然后內(nèi)部也是一個個所謂的鏈表結(jié)構(gòu)(bin),同步的粒度要更細致一些。
- 其內(nèi)部仍然有 Segment 定義,但僅僅是為了保證序列化時的兼容性而已,不再有任何結(jié)構(gòu)上的用處。
- 因為不再使用 Segment,初始化操作大大簡化,修改為 lazy-load 形式,這樣可以有效避免初始開銷。
- 數(shù)據(jù)存儲利用 volatile 來保證可見性。
- 使用 CAS (Compare And Swap)等操作,在特定場景進行無鎖并發(fā)操作。
- 使用 Unsafe、LongAdder 之類底層手段,進行極端情況的優(yōu)化。
看看在java8上的put操作
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); int hash = spread(key.hashCode()); int binCount = 0; for (Node<K,V>[] tab = table;;) { Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv; if (tab == null || (n = tab.length) == 0) tab = initTable(); else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 利用 CAS 去進行無鎖線程安全操作,如果 bin 是空的 if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value))) break; } else if ((fh = f.hash) == MOVED) tab = helpTransfer(tab, f); else if (onlyIfAbsent // 不加鎖,進行檢查 && fh == hash && ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk))) && (fv = f.val) != null) return fv; else { V oldVal = null; synchronized (f) { // 細粒度的同步修改操作... } } // Bin 超過閾值,進行樹化 if (binCount != 0) { if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; } } } addCount(1L, binCount); return null; }
初始化操作實現(xiàn)在 initTable 里面,這是一個典型的 CAS 使用場景,利用 volatile 的 sizeCtl 作為互斥手段:如果發(fā)現(xiàn)競爭性的初始化,就 spin 在那里,等待條件恢復(fù);否則利用 CAS 設(shè)置排他標志。如果成功則進行初始化;否則重試。
private final Node<K,V>[] initTable() { Node<K,V>[] tab; int sc; while ((tab = table) == null || tab.length == 0) { // 如果發(fā)現(xiàn)沖突,進行 spin 等待 if ((sc = sizeCtl) < 0) Thread.yield(); // CAS 成功返回 true,則進入真正的初始化邏輯 else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { try { if ((tab = table) == null || tab.length == 0) { int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY; @SuppressWarnings("unchecked") Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n]; table = tab = nt; sc = n - (n >>> 2); } } finally { sizeCtl = sc; } break; } } return tab; }
當 bin 為空時,同樣是沒有必要鎖定,也是以 CAS 操作去放置。
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