ConcurrentHashMap?存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)源碼解析
引言
思考:HashTable是線程安全的,為什么不推薦使用?
HashTable是一個(gè)線程安全的類,它使用synchronized來鎖住整張Hash表來實(shí)現(xiàn)線程安全,即每次鎖住整張表讓線程獨(dú)占,相當(dāng)于所有線程進(jìn)行讀寫時(shí)都去競爭一把鎖,導(dǎo)致效率非常低下。
1 ConcurrentHashMap 1.7
在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了數(shù)組+分段鎖的方式實(shí)現(xiàn)。
Segment(分段鎖)-減少鎖的粒度
ConcurrentHashMap中的分段鎖稱為Segment,它即類似于HashMap的結(jié)構(gòu),即內(nèi)部擁有一個(gè)Entry數(shù)組,數(shù)組中的每個(gè)元素又是一個(gè)鏈表,同時(shí)又是一個(gè)ReentrantLock(Segment繼承了ReentrantLock)。
1.存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
Java 7 版本 ConcurrentHashMap 的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖:
ConcurrnetHashMap 由很多個(gè) Segment 組合,而每一個(gè) Segment 是一個(gè)類似于 HashMap 的結(jié)構(gòu),所以每一個(gè) HashMap 的內(nèi)部可以進(jìn)行擴(kuò)容。但是 Segment 的個(gè)數(shù)一旦初始化就不能改變,默認(rèn) Segment 的個(gè)數(shù)是 16 個(gè),所以可以認(rèn)為 ConcurrentHashMap 默認(rèn)支持最多 16 個(gè)線程并發(fā)。
2. 初始化
通過 ConcurrentHashMap 的無參構(gòu)造探尋 ConcurrentHashMap 的初始化流程。
/** * Creates a new, empty map with a default initial capacity (16), * load factor (0.75) and concurrencyLevel (16). */ public ConcurrentHashMap() { this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL); }
無參構(gòu)造中調(diào)用了有參構(gòu)造,傳入了三個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值,他們的值是。
/** * 默認(rèn)初始化容量,這個(gè)容量指的是Segment 的大小 */ static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; /** * 默認(rèn)負(fù)載因子 */ static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; /** * 默認(rèn)并發(fā)級別,并發(fā)級別指的是Segment桶的個(gè)數(shù),默認(rèn)是16個(gè)并發(fā)大小 */ static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16; Segment下面entryset數(shù)組的大小是用DEFAULT_INITIAL_CAPACITY/DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL求出來的。
Segment下面entryset數(shù)組的大小是用DEFAULT_INITIAL_CAPACITY/DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL求出來的。
接著看下這個(gè)有參構(gòu)造函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)邏輯。
@SuppressWarnings("unchecked") public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) { // 參數(shù)校驗(yàn) if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0) throw new IllegalArgumentException(); // 校驗(yàn)并發(fā)級別大小,大于 1<<16,重置為 65536 if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS; // Find power-of-two sizes best matching arguments // 2的多少次方 int sshift = 0;//控制segment數(shù)組的大小 int ssize = 1; // 這個(gè)循環(huán)可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值 while (ssize < concurrencyLevel) { ++sshift;//代表ssize左移的次數(shù) ssize <<= 1; } // 記錄段偏移量 this.segmentShift = 32 - sshift; // 記錄段掩碼 this.segmentMask = ssize - 1; // 設(shè)置容量 判斷初始容量是否超過允許的最大容量 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; // c = 容量 / ssize ,默認(rèn) 16 / 16 = 1,這里是計(jì)算每個(gè) Segment 中的類似于 HashMap 的容量 //求entrySet數(shù)組的大小,這個(gè)地方需要保證entrySet數(shù)組的大小至少可以存儲(chǔ)下initialCapacity的容量,假設(shè)initialCapacity為33,ssize為16,那么c=2,所以if語句是true,那么c=3,MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY初始值是2,所以if語句成立,那么cap=4,所以每一個(gè)segment的容量初始為4,segment為16,16*4>33成立,entrySet數(shù)組的大小也需要是2的冪次方 int c = initialCapacity / ssize; if (c * ssize < initialCapacity) ++c; int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; //Segment 中的類似于 HashMap 的容量至少是2或者2的倍數(shù) while (cap < c) cap <<= 1; // create segments and segments[0] // 創(chuàng)建 Segment 數(shù)組,設(shè)置 segments[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]; UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0] this.segments = ss; }
總結(jié)一下在 Java 7 中 ConcurrnetHashMap 的初始化邏輯。
- 必要參數(shù)校驗(yàn)。
- 校驗(yàn)并發(fā)級別 concurrencyLevel 大小,如果大于最大值,重置為最大值。無參構(gòu)造默認(rèn)值是 16.
- 尋找并發(fā)級別 concurrencyLevel 之上最近的 2 的冪次方值,作為初始化容量大小,默認(rèn)是 16。
- 記錄 segmentShift 偏移量,這個(gè)值為【容量 = 2 的N次方】中的 N,在后面 Put 時(shí)計(jì)算位置時(shí)會(huì)用到。默認(rèn)是 32 - sshift = 28.
- 記錄 segmentMask,默認(rèn)是 ssize - 1 = 16 -1 = 15.
- 初始化 segments[0],默認(rèn)大小為 2,負(fù)載因子 0.75,擴(kuò)容閥值是 2*0.75=1.5,插入第二個(gè)值時(shí)才會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容。
計(jì)算segment數(shù)組容量的大小。
計(jì)算entrySet數(shù)組的大小。
初始化segment數(shù)組,其中生成一個(gè)s0對象放在數(shù)組的第0個(gè)位置
為什么首先需要一個(gè)s0存儲(chǔ)到數(shù)組的第一個(gè)位置?
因?yàn)槌跏蓟瘮?shù)組完成后數(shù)組元素都還是null值,以后每一次添加一個(gè)元素的話,需要封裝為entrySet對象,還需要對entrySet數(shù)組的大小重新計(jì)算,如果把第一次的計(jì)算結(jié)果全部存儲(chǔ)到S0中,那么以后的話只需要直接拿來使用即可,不需要重新計(jì)算。雖然Segment對象不同,但是對象中屬性內(nèi)容其實(shí)是一樣的。
Segment數(shù)組的長度第一次已經(jīng)確定,以后不會(huì)在改變,擴(kuò)容是局部擴(kuò)容,只對setrySet數(shù)組的容量進(jìn)行擴(kuò)容。
3. put
接著上面的初始化參數(shù)繼續(xù)查看 put 方法源碼。
/** * Maps the specified key to the specified value in this table. * Neither the key nor the value can be null. * * <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method * with a key that is equal to the original key. * * @param key key with which the specified value is to be associated * @param value value to be associated with the specified key * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or * <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt> * @throws NullPointerException if the specified key or value is null */ public V put(K key, V value) { Segment<K,V> s; if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key); // hash 值無符號右移 28位(初始化時(shí)獲得),然后與 segmentMask=15 做與運(yùn)算 // 其實(shí)也就是把高4位與segmentMask(1111)做與運(yùn)算 // this.segmentMask = ssize - 1; //對hash值進(jìn)行右移segmentShift位,計(jì)算元素對應(yīng)segment中數(shù)組下表的位置 //把hash右移segmentShift,相當(dāng)于只要hash值的高32-segmentShift位,右移的目的是保留了hash值的高位。然后和segmentMask與操作計(jì)算元素在segment數(shù)組中的下表 int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask; //使用unsafe對象獲取數(shù)組中第j個(gè)位置的值,后面加上的是偏移量 if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment // 如果查找到的 Segment 為空,初始化 s = ensureSegment(j); //插入segment對象 return s.put(key, hash, value, false); } /** Returns the segment for the given index, creating it and recording in segment table (via CAS) if not already present. @param k the index @return the segment */ @SuppressWarnings("unchecked") 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; // 判斷 u 位置的 Segment 是否為null if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype // 獲取0號 segment 里的 HashEntry<K,V> 初始化長度 int cap = proto.table.length; // 獲取0號 segment 里的 hash 表里的擴(kuò)容負(fù)載因子,所有的 segment 的 loadFactor 是相同的 float lf = proto.loadFactor; // 計(jì)算擴(kuò)容閥值 int threshold = (int)(cap * lf); // 創(chuàng)建一個(gè) cap 容量的 HashEntry 數(shù)組 HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]; if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck // 再次檢查 u 位置的 Segment 是否為null,因?yàn)檫@時(shí)可能有其他線程進(jìn)行了操作 Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab); // 自旋檢查 u 位置的 Segment 是否為null while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // 使用CAS 賦值,只會(huì)成功一次 if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s)) break; } } } return seg; }
/*Returns the segment for the given index, creating it and recording in segment table (via CAS) if not already present. @param k the index @return the segment */ @SuppressWarnings("unchecked") 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; // 判斷 u 位置的 Segment 是否為null if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype // 獲取0號 segment 里的 HashEntry<K,V> 初始化長度 int cap = proto.table.length; // 獲取0號 segment 里的 hash 表里的擴(kuò)容負(fù)載因子,所有的 segment 的 loadFactor 是相同的 float lf = proto.loadFactor; // 計(jì)算擴(kuò)容閥值 int threshold = (int)(cap * lf); // 創(chuàng)建一個(gè) cap 容量的 HashEntry 數(shù)組 HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]; if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck // 再次檢查 u 位置的 Segment 是否為null,因?yàn)檫@時(shí)可能有其他線程進(jìn)行了操作 Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab); // 自旋檢查 u 位置的 Segment 是否為null while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // 使用CAS 賦值,只會(huì)成功一次 if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s)) break; } } } return seg; }
上面的源碼分析了 ConcurrentHashMap 在 put 一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)的處理流程,下面梳理下具體流程。
計(jì)算要 put 的 key 的位置,獲取指定位置的 Segment。
- 如果指定位置的 Segment 為空,則初始化這個(gè) Segment.
- 初始化 Segment 流程:
- 檢查計(jì)算得到的位置的 Segment 是否為null.
- 為 null 繼續(xù)初始化,使用 Segment[0] 的容量和負(fù)載因子創(chuàng)建一個(gè) HashEntry 數(shù)組。
- 再次檢查計(jì)算得到的指定位置的 Segment 是否為null.
- 使用創(chuàng)建的 HashEntry 數(shù)組初始化這個(gè) Segment.
- 自旋判斷計(jì)算得到的指定位置的 Segment 是否為null,使用 CAS 在這個(gè)位置賦值為 Segment.
Segment.put 插入 key,value 值。
上面探究了獲取 Segment 段和初始化 Segment 段的操作。最后一行的 Segment 的 put 方法還沒有查看,繼續(xù)分析。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { // 獲取 ReentrantLock 獨(dú)占鎖,獲取不到,scanAndLockForPut 獲取。 HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); V oldValue; try { HashEntry<K,V>[] tab = table; // 計(jì)算要put的數(shù)據(jù)位置 int index = (tab.length - 1) & hash; // CAS 獲取 index 坐標(biāo)的值 HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index); for (HashEntry<K,V> e = first;;) { if (e != null) { // 檢查是否 key 已經(jīng)存在,如果存在,則遍歷鏈表尋找位置,找到后替換 value K k; if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) { oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent) { e.value = value; ++modCount; } break; } e = e.next; } else { // first 有值沒說明 index 位置已經(jīng)有值了,有沖突,鏈表頭插法。 if (node != null) node.setNext(first); else node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first); int c = count + 1; // 容量大于擴(kuò)容閥值,小于最大容量,進(jìn)行擴(kuò)容 if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY) rehash(node); else // index 位置賦值 node,node 可能是一個(gè)元素,也可能是一個(gè)鏈表的表頭 setEntryAt(tab, index, node); ++modCount; count = c; oldValue = null; break; } } } finally { unlock(); } return oldValue; }
由于 Segment 繼承了 ReentrantLock,所以 Segment 內(nèi)部可以很方便的獲取鎖,put 流程就用到了這個(gè)功能。
- tryLock() 獲取鎖,獲取不到使用
scanAndLockForPut
方法繼續(xù)獲取。 - 計(jì)算 put 的數(shù)據(jù)要放入的 index 位置,然后獲取這個(gè)位置上的 HashEntry 。
- 遍歷 put 新元素,為什么要遍歷?因?yàn)檫@里獲取的 HashEntry 可能是一個(gè)空元素,也可能是鏈表已存在,所以要區(qū)別對待。
如果這個(gè)位置上的 HashEntry 不存在:
如果當(dāng)前容量大于擴(kuò)容閥值,小于最大容量,進(jìn)行擴(kuò)容。
直接頭插法插入。
如果這個(gè)位置上的 HashEntry 存在:
判斷鏈表當(dāng)前元素 Key 和 hash 值是否和要 put 的 key 和 hash 值一致。一致則替換值
不一致,獲取鏈表下一個(gè)節(jié)點(diǎn),直到發(fā)現(xiàn)相同進(jìn)行值替換,或者鏈表表里完畢沒有相同的。
如果當(dāng)前容量大于擴(kuò)容閥值,小于最大容量,進(jìn)行擴(kuò)容。
直接鏈表頭插法插入。
如果要插入的位置之前已經(jīng)存在,替換后返回舊值,否則返回 null.
這里面的第一步中的 scanAndLockForPut 操作這里沒有介紹,這個(gè)方法做的操作就是不斷的自旋 tryLock()
獲取鎖。當(dāng)自旋次數(shù)大于指定次數(shù)時(shí),使用 lock()
阻塞獲取鎖。在自旋時(shí)順表獲取下 hash 位置的 HashEntry。
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 // 自旋獲取鎖 while (!tryLock()) { HashEntry<K,V> f; // to recheck first below if (retries < 0) { if (e == null) { if (node == null) // speculatively create node node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null); retries = 0; } else if (key.equals(e.key)) retries = 0; else e = e.next; } else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) { // 自旋達(dá)到指定次數(shù)后,阻塞等到只到獲取到鎖 lock(); break; } else if ((retries & 1) == 0 && (f = entryForHash(this, hash)) != first) { e = first = f; // re-traverse if entry changed retries = -1; } } return node; }
4. 擴(kuò)容 rehash
ConcurrentHashMap 的擴(kuò)容只會(huì)擴(kuò)容到原來的兩倍。老數(shù)組里的數(shù)據(jù)移動(dòng)到新的數(shù)組時(shí),位置要么不變,要么變?yōu)?index+ oldSize,參數(shù)里的 node 會(huì)在擴(kuò)容之后使用鏈表頭插法插入到指定位置。
private void rehash(HashEntry<K,V> node) { HashEntry<K,V>[] oldTable = table; // 老容量 int oldCapacity = oldTable.length; // 新容量,擴(kuò)大兩倍 int newCapacity = oldCapacity << 1; // 新的擴(kuò)容閥值 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); // 創(chuàng)建新的數(shù)組 HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity]; // 新的掩碼,默認(rèn)2擴(kuò)容后是4,-1是3,二進(jìn)制就是11。 int sizeMask = newCapacity - 1; for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) { // 遍歷老數(shù)組 HashEntry<K,V> e = oldTable[i]; if (e != null) { HashEntry<K,V> next = e.next; // 計(jì)算新的位置,新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。 int idx = e.hash & sizeMask; if (next == null) // Single node on list // 如果當(dāng)前位置還不是鏈表,只是一個(gè)元素,直接賦值 newTable[idx] = e; else { // Reuse consecutive sequence at same slot // 如果是鏈表了 HashEntry<K,V> lastRun = e; int lastIdx = idx; // 新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。 // 遍歷結(jié)束后,lastRun 后面的元素位置都是相同的 for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) { int k = last.hash & sizeMask; if (k != lastIdx) { lastIdx = k; lastRun = last; } } // ,lastRun 后面的元素位置都是相同的,直接作為鏈表賦值到新位置。 newTable[lastIdx] = lastRun; // Clone remaining nodes for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) { // 遍歷剩余元素,頭插法到指定 k 位置。 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); } } } } // 頭插法插入新的節(jié)點(diǎn) int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node node.setNext(newTable[nodeIndex]); newTable[nodeIndex] = node; table = newTable; }
有些同學(xué)可能會(huì)對最后的兩個(gè) for 循環(huán)有疑惑,這里第一個(gè) for 是為了尋找這樣一個(gè)節(jié)點(diǎn),這個(gè)節(jié)點(diǎn)后面的所有 next 節(jié)點(diǎn)的新位置都是相同的。然后把這個(gè)作為一個(gè)鏈表賦值到新位置。第二個(gè) for 循環(huán)是為了把剩余的元素通過頭插法插入到指定位置鏈表。這樣實(shí)現(xiàn)的原因可能是基于概率統(tǒng)計(jì),有深入研究的同學(xué)可以發(fā)表下意見。
5. get
到這里就很簡單了,get 方法只需要兩步即可。
- 計(jì)算得到 key 的存放位置。
- 遍歷指定位置查找相同 key 的 value 值。
public V get(Object key) { Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead HashEntry<K,V>[] tab; int h = hash(key); long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE; // 計(jì)算得到 key 的存放位置 if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null && (tab = s.table) != null) { for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE); e != null; e = e.next) { // 如果是鏈表,遍歷查找到相同 key 的 value。 K k; if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k))) return e.value; } } return null; }
2 ConcurrentHashMap 1.8
1. 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
可以發(fā)現(xiàn) Java8 的 ConcurrentHashMap 相對于 Java7 來說變化比較大,不再是之前的 Segment 數(shù)組 + HashEntry 數(shù)組 + 鏈表,而是 Node 數(shù)組 + 鏈表 / 紅黑樹。當(dāng)沖突鏈表達(dá)到一定長度時(shí),鏈表會(huì)轉(zhuǎn)換成紅黑樹。
補(bǔ)充:CAS
CAS(Compare-and-Swap/Exchange),即比較并替換,是一種實(shí)現(xiàn)并發(fā)常用到的技術(shù)。
CAS核心算法:執(zhí)行函數(shù):CAS(V,E,N)
V表示準(zhǔn)備要被更新的變量 (內(nèi)存的值)
E表示我們提供的 期望的值 (期望的原值)
N表示新值 ,準(zhǔn)備更新V的值 (新值)
算法思路:V是共享變量,我們拿著自己準(zhǔn)備的這個(gè)E,去跟V去比較,如果E == V ,說明當(dāng)前沒有其它線程在操作,所以,我們把N 這個(gè)值 寫入對象的 V 變量中。如果 E != V ,說明我們準(zhǔn)備的這個(gè)E,已經(jīng)過時(shí)了,所以我們要重新準(zhǔn)備一個(gè)最新的E ,去跟V 比較,比較成功后才能更新 V的值為N。
如果多個(gè)線程同時(shí)使用CAS操作一個(gè)變量的時(shí)候,只有一個(gè)線程能夠修改成功。其余的線程提供的期望值已經(jīng)與共享變量的值不一樣了,所以均會(huì)失敗。
由于CAS操作屬于樂觀派,它總是認(rèn)為自己能夠操作成功,所以操作失敗的線程將會(huì)再次發(fā)起操作,而不是被OS掛起。所以說,即使CAS操作沒有使用同步鎖,其它線程也能夠知道對共享變量的影響。
因?yàn)槠渌€程沒有被掛起,并且將會(huì)再次發(fā)起修改嘗試,所以無鎖操作即CAS操作天生免疫死鎖。
另外一點(diǎn)需要知道的是,CAS是系統(tǒng)原語,CAS操作是一條CPU的原子指令,所以不會(huì)有線程安全問題。
ABA問題:E和E2對比相同是不能保證百分百保證,其他線程沒有在自己線程執(zhí)行計(jì)算的過程里搶鎖成功過。有可能其他線程操作后新E值和舊E值一樣!
ABA問題解決:在E對象里加個(gè)操作次數(shù)變量就行,每次判斷時(shí)對比兩個(gè),E和操作次數(shù)就OK了,因?yàn)锳BA問題中就算E相同操作次數(shù)也絕不相同
2. 初始化 initTable
/** * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl. */ private final Node<K,V>[] initTable() { Node<K,V>[] tab; int sc; while ((tab = table) == null || tab.length == 0) { //如果 sizeCtl < 0 ,說明另外的線程執(zhí)行CAS 成功,正在進(jìn)行初始化。 if ((sc = sizeCtl) < 0) // 讓出 CPU 使用權(quán) Thread.yield(); // lost initialization race; just spin else if (U.compareAndSwapInt(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; }
從源碼中可以發(fā)現(xiàn) ConcurrentHashMap 的初始化是通過自旋和 CAS 操作完成的。里面需要注意的是變量 sizeCtl
,它的值決定著當(dāng)前的初始化狀態(tài)。
- -1 說明正在初始化
- -N 說明有N-1個(gè)線程正在進(jìn)行擴(kuò)容
- 表示 table 初始化大小,如果 table 沒有初始化
- 表示 table 容量,如果 table 已經(jīng)初始化。
3. put
直接過一遍 put 源碼。
public V put(K key, V value) { return putVal(key, value, false); } /** Implementation for put and putIfAbsent */ final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { // key 和 value 不能為空 if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); int hash = spread(key.hashCode()); int binCount = 0; for (Node<K,V>[] tab = table;;) { // f = 目標(biāo)位置元素 Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 后面存放目標(biāo)位置的元素 hash 值 if (tab == null || (n = tab.length) == 0) // 數(shù)組桶為空,初始化數(shù)組桶(自旋+CAS) tab = initTable(); else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 桶內(nèi)為空,CAS 放入,不加鎖,成功了就直接 break 跳出 if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null))) break; // no lock when adding to empty bin } else if ((fh = f.hash) == MOVED) tab = helpTransfer(tab, f); else { V oldVal = null; // 使用 synchronized 加鎖加入節(jié)點(diǎn) synchronized (f) { if (tabAt(tab, i) == f) { // 說明是鏈表 if (fh >= 0) { binCount = 1; // 循環(huán)加入新的或者覆蓋節(jié)點(diǎn) for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) { K ek; if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) { oldVal = e.val; if (!onlyIfAbsent) e.val = value; break; } Node<K,V> pred = e; if ((e = e.next) == null) { pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null); break; } } } else if (f instanceof TreeBin) { // 紅黑樹 Node<K,V> p; binCount = 2; if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val; if (!onlyIfAbsent) p.val = value; } } } } if (binCount != 0) { if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; } } } addCount(1L, binCount); return null; }
/** Implementation for put and putIfAbsent */ final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { // key 和 value 不能為空 if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); int hash = spread(key.hashCode()); int binCount = 0; for (Node<K,V>[] tab = table;;) { // f = 目標(biāo)位置元素 Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 后面存放目標(biāo)位置的元素 hash 值 if (tab == null || (n = tab.length) == 0) // 數(shù)組桶為空,初始化數(shù)組桶(自旋+CAS) tab = initTable(); else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 桶內(nèi)為空,CAS 放入,不加鎖,成功了就直接 break 跳出 if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null))) break; // no lock when adding to empty bin } else if ((fh = f.hash) == MOVED) tab = helpTransfer(tab, f); else { V oldVal = null; // 使用 synchronized 加鎖加入節(jié)點(diǎn) synchronized (f) { if (tabAt(tab, i) == f) { // 說明是鏈表 if (fh >= 0) { binCount = 1; // 循環(huán)加入新的或者覆蓋節(jié)點(diǎn) for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) { K ek; if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) { oldVal = e.val; if (!onlyIfAbsent) e.val = value; break; } Node<K,V> pred = e; if ((e = e.next) == null) { pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null); break; } } } else if (f instanceof TreeBin) { // 紅黑樹 Node<K,V> p; binCount = 2; if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val; if (!onlyIfAbsent) p.val = value; } } } } if (binCount != 0) { if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; } } } addCount(1L, binCount); return null; }
- 根據(jù) key 計(jì)算出 hashcode 。
- 判斷是否需要進(jìn)行初始化。
- 即為當(dāng)前 key 定位出的 Node,如果為空表示當(dāng)前位置可以寫入數(shù)據(jù),利用 CAS 嘗試寫入,失敗則自旋保證成功。
- 如果當(dāng)前位置的
hashcode == MOVED == -1
,則需要進(jìn)行擴(kuò)容。 - 如果都不滿足,則利用 synchronized 鎖寫入數(shù)據(jù)。
- 如果數(shù)量大于
TREEIFY_THRESHOLD
則要轉(zhuǎn)換為紅黑樹。
4. get
get 流程比較簡單,直接過一遍源碼。
public V get(Object key) { Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek; // key 所在的 hash 位置 int h = spread(key.hashCode()); if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) { // 如果指定位置元素存在,頭結(jié)點(diǎn)hash值相同 if ((eh = e.hash) == h) { if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))) // key hash 值相等,key值相同,直接返回元素 value return e.val; } else if (eh < 0) // 頭結(jié)點(diǎn)hash值小于0,說明正在擴(kuò)容或者是紅黑樹,find查找 return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null; while ((e = e.next) != null) { // 是鏈表,遍歷查找 if (e.hash == h && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) return e.val; } } return null; }
總結(jié)一下 get 過程:
- 根據(jù) hash 值計(jì)算位置。
- 查找到指定位置,如果頭節(jié)點(diǎn)就是要找的,直接返回它的 value.
- 如果頭節(jié)點(diǎn) hash 值小于 0 ,說明正在擴(kuò)容或者是紅黑樹,查找之。
- 如果是鏈表,遍歷查找之。
3 總結(jié)
Java7 中 ConcurrentHashMap 使用的分段鎖,也就是每一個(gè) Segment 上同時(shí)只有一個(gè)線程可以操作,每一個(gè) Segment 都是一個(gè)類似 HashMap 數(shù)組的結(jié)構(gòu),它可以擴(kuò)容,它的沖突會(huì)轉(zhuǎn)化為鏈表。但是 Segment 的個(gè)數(shù)一但初始化就不能改變。
Java8 中的 ConcurrentHashMap 使用的 Synchronized 鎖加 CAS 的機(jī)制。結(jié)構(gòu)也由 Java7 中的 Segment 數(shù)組 + HashEntry 數(shù)組 + 鏈表 進(jìn)化成了 Node 數(shù)組 + 鏈表 / 紅黑樹,Node 是類似于一個(gè) HashEntry 的結(jié)構(gòu)。它的沖突再達(dá)到一定大小時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化成紅黑樹,在沖突小于一定數(shù)量時(shí)又退回鏈表。
以上就是ConcurrentHashMap 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)源碼解析的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于ConcurrentHashMap 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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