JDK1.7的ConcurrentHashMap源碼解析
概述
HashMap是非線程安全的,而HashTable是線程安全的,但是HashTable實(shí)現(xiàn)同步的方法比較暴力,即在所有的方法體上添加synchronized關(guān)鍵字
相當(dāng)于所有讀寫線程均去讀取一把鎖,從并發(fā)角度,HashTable其實(shí)無法滿足較高的并發(fā)度。
另一種同步Map的方法是使用Collections工具類。
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) { return new SynchronizedMap<>(m); } /** * @serial include */ private static class SynchronizedMap<K,V> implements Map<K,V>, Serializable { private static final long serialVersionUID = 1978198479659022715L; private final Map<K,V> m; // Backing Map //互斥鎖 final Object mutex; // Object on which to synchronize SynchronizedMap(Map<K,V> m) { this.m = Objects.requireNonNull(m); mutex = this; } SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) { this.m = m; this.mutex = mutex; } public int size() { synchronized (mutex) {return m.size();} } public boolean isEmpty() { synchronized (mutex) {return m.isEmpty();} } public boolean containsKey(Object key) { synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);} } public boolean containsValue(Object value) { synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);} } public V get(Object key) { synchronized (mutex) {return m.get(key);} } public V put(K key, V value) { synchronized (mutex) {return m.put(key, value);} } public V remove(Object key) { synchronized (mutex) {return m.remove(key);} } public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) { synchronized (mutex) {m.putAll(map);} } public void clear() { synchronized (mutex) {m.clear();} } private transient Set<K> keySet; private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; private transient Collection<V> values; public Set<K> keySet() { synchronized (mutex) { if (keySet==null) keySet = new SynchronizedSet<>(m.keySet(), mutex); return keySet; } } public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() { synchronized (mutex) { if (entrySet==null) entrySet = new SynchronizedSet<>(m.entrySet(), mutex); return entrySet; } } public Collection<V> values() { synchronized (mutex) { if (values==null) values = new SynchronizedCollection<>(m.values(), mutex); return values; } } public boolean equals(Object o) { if (this == o) return true; synchronized (mutex) {return m.equals(o);} } public int hashCode() { synchronized (mutex) {return m.hashCode();} } public String toString() { synchronized (mutex) {return m.toString();} } // Override default methods in Map @Override public V getOrDefault(Object k, V defaultValue) { synchronized (mutex) {return m.getOrDefault(k, defaultValue);} } @Override public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) { synchronized (mutex) {m.forEach(action);} } @Override public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) { synchronized (mutex) {m.replaceAll(function);} } @Override public V putIfAbsent(K key, V value) { synchronized (mutex) {return m.putIfAbsent(key, value);} } @Override public boolean remove(Object key, Object value) { synchronized (mutex) {return m.remove(key, value);} } @Override public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) { synchronized (mutex) {return m.replace(key, oldValue, newValue);} } @Override public V replace(K key, V value) { synchronized (mutex) {return m.replace(key, value);} } @Override public V computeIfAbsent(K key, Function<? super K, ? extends V> mappingFunction) { synchronized (mutex) {return m.computeIfAbsent(key, mappingFunction);} } @Override public V computeIfPresent(K key, BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) { synchronized (mutex) {return m.computeIfPresent(key, remappingFunction);} } @Override public V compute(K key, BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) { synchronized (mutex) {return m.compute(key, remappingFunction);} } @Override public V merge(K key, V value, BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) { synchronized (mutex) {return m.merge(key, value, remappingFunction);} } private void writeObject(ObjectOutputStream s) throws IOException { synchronized (mutex) {s.defaultWriteObject();} } }
這種方法與HashTable實(shí)現(xiàn)方式類似,也是鎖住整表來實(shí)現(xiàn)同步的。而ConcurrentHashMap則避免了上述兩種Map同步方式鎖住全表的問題。
ConcurrentHashMap可以做到讀取數(shù)據(jù)不加鎖,并且其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以讓其在進(jìn)行寫操作的時(shí)候能夠?qū)㈡i的粒度保持盡量的小,不用對(duì)整個(gè)ConcurrentHashMap加鎖。
ConcurrentHashMap內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ConcurrentHashMap內(nèi)部采用了一種叫segment的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),很明顯它就是一個(gè)哈希桶數(shù)組,數(shù)組的元素就是HashEntry。
ConcurrentHashMap比HashMap多了一次hash過程,第一次hash定位到Segment,第二次hash定位到HashEntry,然后鏈表搜索找到指定節(jié)點(diǎn)。
該實(shí)現(xiàn)方法的缺點(diǎn)是hash過程比普通的HashMap要長,但是優(yōu)點(diǎn)也很明顯,在進(jìn)行寫操作時(shí),只需鎖住寫元素所在的Segment即可,其他Segment無需加鎖,提高了并發(fā)讀寫的效率。
Segment
Segment繼承了ReentrantLock并實(shí)現(xiàn)了序列化接口,說明Segment的鎖是可以重入的。
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable { transient volatile HashEntry<K,V>[] table; transient int count; transient int modCount; transient int threshold; final float loadFactor;
- count:Segment中元素的數(shù)量
- modCount:對(duì)table的大小造成影響的操作的數(shù)量(比如put或者remove操作)
- threshold:擴(kuò)容閾值
- table:鏈表數(shù)組,數(shù)組中的每一個(gè)元素代表了一個(gè)鏈表的頭部
- loadFactor:負(fù)載因子
Segment的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與普通的HashMap基本類似,只是通過繼承ReentrantLock可實(shí)現(xiàn)線程安全的操作。
HashEntry
Segment中的元素是以HashEntry的形式存放在鏈表數(shù)組中的,其結(jié)構(gòu)與普通HashMap的HashEntry基本一致,不同的是Segment的HashEntry的value由volatile修飾,以支持內(nèi)存可見性,即寫操作對(duì)其他讀線程即時(shí)可見。
static final class HashEntry<K,V> { final int hash; final K key; volatile V value; volatile HashEntry<K,V> next; }
ConcurrentHashMap構(gòu)造器
//initialCapacity:初始容量 //loadFactor:負(fù)載因子 //concurrencyLevel:ConcurrentHashMap內(nèi)部的Segment的數(shù)量 public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) { if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0) throw new IllegalArgumentException(); //若concurrencyLevel大于MAX_SEGMENTS,則concurrencyLevel=MAX_SEGMENTS //保證最大并發(fā)不超過MAX_SEGMENTS(1<<16) if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS; //求解concurrencyLevel與2的幾次方最近 //如concurrencyLevel=5 則5與2^3=8最近 則sshift=8 ssize=3 int sshift = 0; int ssize = 1; while (ssize < concurrencyLevel) { ++sshift; ssize <<= 1; } //segmentShift和segmentMask主要用于元素的hash this.segmentShift = 32 - sshift; this.segmentMask = ssize - 1; //ConcurrentHashMap初始容量不超過MAXIMUM_CAPACITY(1<<30) if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; //根據(jù)ConcurrentHashMap總?cè)萘縤nitialCapacity除以 //Segment[]數(shù)組的長度得到單個(gè)分段鎖segment中HashEntry[]的大小 int c = initialCapacity / ssize; //保證分段鎖segment的總?cè)萘縞不小于初始的容量 if (c * ssize < initialCapacity) ++c; int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; //cap為每個(gè)segment的初始容量,其值為離c天花板方向最近的2^n //例:c為5 cap為8 c為12 cap為16 while (cap < c) cap <<= 1; // 創(chuàng)建Segment 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; }
ConcurrentHashMap put()源碼分析
put()方法向ConcurrentHashMap中添加元素
public V put(K key, V value) { Segment<K,V> s; //value不能為空 if (value == null) throw new NullPointerException(); //計(jì)算key的hash值 int hash = hash(key); //無符號(hào)右移segmentShift(默認(rèn)16)位 //然后& segmentMask(默認(rèn)15)得到segment在內(nèi)存中的位置 int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask; 如果Segment不存在,則調(diào)用ensureSegment方法 if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment //初始化segment s = ensureSegment(j); //放值 return s.put(key, hash, value, false); }
Segment put()方法源碼解析
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { // 嘗試直接獲取鎖,獲取到鎖node為null, //否則調(diào)用scanAndLockForPut方法 HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); V oldValue; try { HashEntry<K,V>[] tab = table; // 獲取在tab數(shù)組中的位置 int index = (tab.length - 1) & hash; // 得到鏈表的頭節(jié)點(diǎn) HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index); // 遍歷鏈表 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) { e.value = value; ++modCount; } break; } e = e.next; } // 遍歷到鏈表尾部,沒有重復(fù)的key,則新插入 else { if (node != null) // 頭插法,將node節(jié)點(diǎn)設(shè)為鏈表頭節(jié)點(diǎn) node.setNext(first); else // 為null,則新建一個(gè)節(jié)點(diǎn) node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first); int c = count + 1; // 若c超過閾值則擴(kuò)容,并且數(shù)組長度小于MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30 if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY) // 擴(kuò)容并進(jìn)行重新hash rehash(node); else setEntryAt(tab, index, node); ++modCount; count = c; oldValue = null; break; } } } finally { unlock(); } return oldValue; }
scanAndLockForPut
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) { // 獲取鏈表頭結(jié)點(diǎn) HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash); HashEntry<K,V> e = first; HashEntry<K,V> node = null; int retries = -1; // negative while locating node // 不斷嘗試獲取鎖 while (!tryLock()) { HashEntry<K,V> f; // to recheck first below if (retries < 0) { // 鏈表的頭結(jié)點(diǎn)為null,或者遍歷到鏈表的尾部 if (e == null) { // 這里加條件是因?yàn)椋锌赡芤呀?jīng)初始化node節(jié)點(diǎn)了 // 結(jié)果由于頭結(jié)點(diǎn)改變重新遍歷鏈表 if (node == null) // speculatively create node node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null); retries = 0; } // 找到相同key的節(jié)點(diǎn) else if (key.equals(e.key)) retries = 0; // 沒有找到key對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn) else e = e.next; } // 可用處理器數(shù)量大于1,MAX_SCAN_RETRIES=64,否則為1 else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) { // 調(diào)用ReentrantLock中NonfairSync的lock()方法 // 執(zhí)行過程中有可能不阻塞獲取到鎖,也有可能被阻塞 // 而不是之前的一直嘗試直接獲取鎖 lock(); break; } // 鏈表的頭結(jié)點(diǎn)發(fā)生變化,更新頭結(jié)點(diǎn),并重置retries值為-1 else if ((retries & 1) == 0 && (f = entryForHash(this, hash)) != first) { e = first = f; // re-traverse if entry changed retries = -1; } } return node; }
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