Jdk1.6 JUC源码解析(26)-ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet

作者：大飞

功能简介：

• ConcurrentSkipListMap是一种线程安全的有序的Map。一般我们使用有序Map，不要求线程安全的情况下，可以使用TreeMap，要求线程安全的话，就可以使用ConcurrentSkipListMap。
• ConcurrentSkipListMap内部的数据结构是SkipList(跳表)，内部Entry顺序是由实现了Comparable的key或者构造时指定的Comparator来保证。和TreeMap一样，对ConcurrentSkipListMap中元素的put、get和remove等操作的平均时间复杂度也是O(log(n))。

 
源码分析：

• 在看内部结构之前，先对跳表这种数据结构有个感性的认识，贴个图：

注：图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Skip_list
 

       ConcurrentSkipListMap源码中也提供了图形化的注释： Java代码  

1. * Head nodes          Index nodes  
2. * +-+    right        +-+                      +-+  
3. * |2|—————->| |———————>| |->null  
4. * +-+                 +-+                      +-+  
5. *  | down              |                        |  
6. *  v                   v                        v  
7. * +-+            +-+  +-+       +-+            +-+       +-+  
8. * |1|———–>| |->| |——>| |———–>| |——>| |->null  
9. * +-+            +-+  +-+       +-+            +-+       +-+  
10. *  v              |    |         |              |         |  
11. * Nodes  next     v    v         v              v         v  
12. * +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  
13. * | |->|A|->|B|->|C|->|D|->|E|->|F|->|G|->|H|->|I|->|J|->|K|->null  
14. * +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  +-+  

       可见，跳表结构中主要有3中节点：Head节点、Index节点和普通的Node节点。  

• 看下源码中这些节点的结构表示：

Java代码  

1. /** 
2.  * 节点持有key和value，按顺序链接，单向链表。 
3.  * 中间可能会链接一些处于中间状态的标记节点。 
4.  * 链表头节点是一个哑(dummy)节点，可以通过head.node访问。 
5.  * value域之所以定义成Object(而不是E)，是因为还要存放一些针对标记节点和头节点的特殊值(non-V) 
6.  */  
7. static final class Node<K,V> {  
8.     final K key;  
9.     volatile Object value;  
10.     volatile Node<K,V> next;  
11.     /** 
12.      * 创建一个普通节点。 
13.      */  
14.     Node(K key, Object value, Node<K,V> next) {  
15.         this.key = key;  
16.         this.value = value;  
17.         this.next = next;  
18.     }  
19.     /** 
20.      * 创建一个标记节点。 
21.      * 标记节点和普通节点的重要区别是：标记节点的value域指向自身， 
22.      * 同时标记节点的key为null。key是否为null在一些地方可以用来  
23.      * 区分标记节点，但无法区分标记节点和base-level链表头节点， 
24.      * 因为base-level链表头节点的key也是null。 
25.      */  
26.     Node(Node<K,V> next) {  
27.         this.key = null;  
28.         this.value = this;  
29.         this.next = next;  
30.     }  
31.     /** Updater for casNext */  
32.     static final AtomicReferenceFieldUpdater<Node, Node>  
33.         nextUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater  
34.         (Node.class, Node.class, “next”);  
35.     /** Updater for casValue */  
36.     static final AtomicReferenceFieldUpdater<Node, Object>  
37.         valueUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater  
38.         (Node.class, Object.class, “value”);  
39.     /** 
40.      * compareAndSet value field 
41.      */  
42.     boolean casValue(Object cmp, Object val) {  
43.         return valueUpdater.compareAndSet(this, cmp, val);  
44.     }  
45.     /** 
46.      * compareAndSet next field 
47.      */  
48.     boolean casNext(Node<K,V> cmp, Node<K,V> val) {  
49.         return nextUpdater.compareAndSet(this, cmp, val);  
50.     }  
51.     /** 
52.      * 判断节点是否为标记节点。 
53.      */  
54.     boolean isMarker() {  
55.         return value == this;  
56.     }  
57.     /** 
58.      * 判断节点是否是base-level链表的头节点。 
59.      */  
60.     boolean isBaseHeader() {  
61.         return value == BASE_HEADER;  
62.     }  
63.     /** 
64.      * 尝试在当前节点后面追加一个删除标记节点。 
65.      */  
66.     boolean appendMarker(Node<K,V> f) {  
67.         return casNext(f, new Node<K,V>(f));  
68.     }  
69.     /** 
70.      * 通过追加一个删除标记节点或移除一个标记节点来推进删除。 
71.      */  
72.     void helpDelete(Node<K,V> b, Node<K,V> f) {  
73.         /* 
74.          * Rechecking links and then doing only one of the 
75.          * help-out stages per call tends to minimize CAS 
76.          * interference among helping threads. 
77.          */  
78.         if (f == next && this == b.next) {  
79.             if (f == null || f.value != f) // not already marked  
80.                 appendMarker(f);  
81.             else  
82.                 b.casNext(this, f.next);  
83.         }  
84.     }  
85.     /** 
86.      * 获取合法的value值。 
87.      */  
88.     V getValidValue() {  
89.         Object v = value;  
90.         if (v == this || v == BASE_HEADER)  
91.             //如果是标记节点或者base头节点，返回null。  
92.             return null;  
93.         return (V)v;  
94.     }  
95.     /** 
96.      * 为当前映射(Node)创建一个不变(不可修改)的快照。 
97.      * 如果没有合法值，返回null 
98.      */  
99.     AbstractMap.SimpleImmutableEntry<K,V> createSnapshot() {  
100.         V v = getValidValue();  
101.         if (v == null)  
102.             return null;  
103.         return new AbstractMap.SimpleImmutableEntry<K,V>(key, v);  
104.     }  
105. }  

       上面方法中重点关注一下删除方法，删除一个节点分为两步：标记和删除。

        1.假设当前节点为n，n的前驱节点为b，n的后继节点为f，如图： 

Java代码  

1. +——+       +——+      +——+  
2. |   b  |——>|   n  |—–>|   f  | …  
3. +——+       +——+      +——+  

        2.现在要删除节点n，那么首先要对n进行标记，如图： 

Java代码  

1. +——+       +——+      +——+       +——+  
2. |   b  |——>|   n  |—–>|marker|——>|   f  | …  
3. +——+       +——+      +——+       +——+  

        可见，要删除节点n，首先是往节点n后面追加一个标记节点。

        3.接下来是删除步骤，直接将节点n和后面的标记节点一起删除，如图： 

Java代码  

1. +——+                                    +——+  
2. |   b  |———————————–>|   f  | …  
3. +——+                                    +——+  

       上面是普通节点，再看下Index节点和Head节点： Java代码  

1. /** 
2.   * Index节点表示跳表的层级。 
3.   * 注意到Node和Index都有正向的指针，但是它们的类型和作用都不同， 
4.   * 无法抽象到一个基类里面。 
5.   */  
6.  static class Index<K,V> {  
7.      final Node<K,V> node;  
8.      final Index<K,V> down;  
9.      volatile Index<K,V> right;  
10.      /** 
11.       * Creates index node with given values. 
12.       */  
13.      Index(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right) {  
14.          this.node = node;  
15.          this.down = down;  
16.          this.right = right;  
17.      }  
18.      /** Updater for casRight */  
19.      static final AtomicReferenceFieldUpdater<Index, Index>  
20.          rightUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater  
21.          (Index.class, Index.class, “right”);  
22.      /** 
23.       * compareAndSet right field 
24.       */  
25.      final boolean casRight(Index<K,V> cmp, Index<K,V> val) {  
26.          return rightUpdater.compareAndSet(this, cmp, val);  
27.      }  
28.      /** 
29.       * 判断当前Index的Node节点是否被删除。 
30.       */  
31.      final boolean indexesDeletedNode() {  
32.          return node.value == null;  
33.      }  
34.      /** 
35.       * 尝试设置新的后继节点。 
36.       */  
37.      final boolean link(Index<K,V> succ, Index<K,V> newSucc) {  
38.          Node<K,V> n = node;  
39.          newSucc.right = succ;  
40.          //需要先检测当前Index的Node是否被删除。  
41.          return n.value != null && casRight(succ, newSucc);  
42.      }  
43.      /** 
44.       * 尝试设置后继节点(right)为后继的后继(越过后继节点) 
45.       */  
46.      final boolean unlink(Index<K,V> succ) {  
47.          return !indexesDeletedNode() && casRight(succ, succ.right);  
48.      }  
49.  }  

  Java代码  

1. /** 
2.  * 头节点，每个头节点都包含一个表示层级的域。 
3.  */  
4. static final class HeadIndex<K,V> extends Index<K,V> {  
5.     final int level;  
6.     HeadIndex(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right, int level) {  
7.         super(node, down, right);  
8.         this.level = level;  
9.     }  
10. }  

         再看下ConcurrentSkipListMap中的结构：  Java代码  

1. public class ConcurrentSkipListMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>  
2.     implements ConcurrentNavigableMap<K,V>,  
3.                Cloneable,  
4.                java.io.Serializable {  
5.      
6.     private static final long serialVersionUID = -8627078645895051609L;  
7.     /** 
8.      * 用来生成种子的随机数生成器。 
9.      */  
10.     private static final Random seedGenerator = new Random();  
11.     /** 
12.      * 用来定义base-level的头结点。 
13.      */  
14.     private static final Object BASE_HEADER = new Object();  
15.     /** 
16.      * 跳表最高层的head index 
17.      */  
18.     private transient volatile HeadIndex<K,V> head;  
19.     /** 
20.      * 比较器。如果没设置这个比较器，那么久用key的自然序来比较。 
21.      * @serial 
22.      */  
23.     private final Comparator<? super K> comparator;  
24.     /** 
25.      * 随机种子，这里没有用volatile修饰，多个线程看到不同的值也没关系。 
26.      */  
27.     private transient int randomSeed;  

• 大体了解了内部结构，接下来先从简单的构造方法入手分析：

Java代码  

1. public ConcurrentSkipListMap() {  
2.     this.comparator = null;  
3.     initialize();  
4. }  
5.   
6. public ConcurrentSkipListMap(Comparator<? super K> comparator) {  
7.     this.comparator = comparator;  
8.     initialize();  
9. }  

       两个构造方法除了指定比较器的区别外，都调用了initialize方法，看下这个方法： 

Java代码  

1. /** 
2.  * 初始化或重置内部状态。 
3.  */  
4. final void initialize() {  
5.     //将内部一些域置空。  
6.     keySet = null;  
7.     entrySet = null;  
8.     values = null;  
9.     descendingMap = null;  
10.     //生成随机种子，这个种子用来生成随机的Level。  
11.     randomSeed = seedGenerator.nextInt() | 0x0100; // 确保非0  
12.     //生成头节点，该节点value是BASE_HEADER，level是1。  
13.     head = new HeadIndex<K,V>(new Node<K,V>(null, BASE_HEADER, null),  
14.                               null, null, 1);  
15. }  

• 然后分析下put方法：

Java代码  

1. public V put(K key, V value) {  
2.     if (value == null)  
3.         throw new NullPointerException();  
4.     return doPut(key, value, false);  
5. }  
6. private V doPut(K kkey, V value, boolean onlyIfAbsent) {  
7.     //将原本的key转化成一个可比较的key。  
8.     Comparable<? super K> key = comparable(kkey);  
9.     for (;;) {  
10.         //通过key找到要插入位置的前驱节点(注意这个节点在base_level上)  
11.         Node<K,V> b = findPredecessor(key);  
12.         Node<K,V> n = b.next;  
13.         for (;;) {  
14.             if (n != null) {  
15.                 Node<K,V> f = n.next;  
16.                 if (n != b.next)               //检测一下，如果读取不一致，说明发生竞争，重试。  
17.                     break;;  
18.                 Object v = n.value;  
19.                 if (v == null) {               //节点n已经被删除了  
20.                     n.helpDelete(b, f);        //删除动作  
21.                     break;                     //重试。  
22.                 }  
23.                 if (v == n || b.value == null) //节点b被删除  
24.                     break;                     //重试。  
25.                 int c = key.compareTo(n.key);  
26.                 if (c > 0) {  
27.                     //如果c>0，说明当前的节点应该排在n的后面，所以从n后面继续比较。  
28.                     b = n;  
29.                     n = f;  
30.                     continue;  
31.                 }  
32.                 if (c == 0) {  
33.                     //如果onlyIfAbsent为true，那么不进行替换；  
34.                     //否则需要覆盖旧值。  
35.                     if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value))  
36.                         return (V)v;  
37.                     else  
38.                         break; // 覆盖时竞争失败，重试。  
39.                 }  
40.                 // else c < 0; fall through  
41.             }  
42.             //1.构造一个新节点。  
43.             Node<K,V> z = new Node<K,V>(kkey, value, n);  
44.             //2.尝试插入b和n之间。  
45.             if (!b.casNext(n, z))  
46.                 break;         // 如果尝试插入失败，重试一次。  
47.             //插入成功后，随机生成一个层级。(这个level不会超过31)  
48.             int level = randomLevel();  
49.             if (level > 0)  
50.                 //level大于0，插入index  
51.                 insertIndex(z, level);  
52.             return null;  
53.         }  
54.     }  
55. }  

         大概描述一下put方法(里面的一些细节后面分析)：               1.首先要找出当前节点(其实还没有节点，这里只是给定的key和value)在Node链表(注意这个链表是图中最下层的部分，也就是base-level)中的前驱节点。               2.然后从前驱节点往后找到要插入的位置，进行插入。               3.插入成功后，可能会生成一个层级。  

       这里看一下doPut方法中转化key使用的方法： 

Java代码  

1. private Comparable<? super K> comparable(Object key) throws ClassCastException {  
2.     if (key == null)  
3.         throw new NullPointerException();  
4.     if (comparator != null)  
5.         return new ComparableUsingComparator<K>((K)key, comparator);  
6.     else  
7.         return (Comparable<? super K>)key;  
8. }  
9. static final class ComparableUsingComparator<K> implements Comparable<K> {  
10.     final K actualKey;  
11.     final Comparator<? super K> cmp;  
12.     ComparableUsingComparator(K key, Comparator<? super K> cmp) {  
13.         this.actualKey = key;  
14.         this.cmp = cmp;  
15.     }  
16.     public int compareTo(K k2) {  
17.         return cmp.compare(actualKey, k2);  
18.     }  
19. }  

       其实就是如果指定了比较器，就使用比较器；没指定比较器，就使用Key的自然序(Key需要实现Comparable接口)。 Java代码  

1. private void addIndex(Index<K,V> idx, HeadIndex<K,V> h, int indexLevel) {  
2.     // 记录下一个要添加的level，以防重试。  
3.     int insertionLevel = indexLevel;  
4.     Comparable<? super K> key = comparable(idx.node.key);  
5.     if (key == null) throw new NullPointerException();  
6.     // 和findPredecessor过程类似，只是在过程中会添加index节点。  
7.     for (;;) {  
8.         int j = h.level;  
9.         Index<K,V> q = h;  
10.         Index<K,V> r = q.right;  
11.         Index<K,V> t = idx;  
12.         for (;;) {  
13.             if (r != null) {  
14.                 Node<K,V> n = r.node;  
15.                 // compare before deletion check avoids needing recheck  
16.                 int c = key.compareTo(n.key);  
17.                 if (n.value == null) {  
18.                     if (!q.unlink(r))  
19.                         break;  
20.                     r = q.right;  
21.                     continue;  
22.                 }  
23.                 if (c > 0) {  
24.                     q = r;  
25.                     r = r.right;  
26.                     continue;  
27.                 }  
28.             }  
29.             if (j == insertionLevel) {  
30.                 // 这里还需要检查t节点是否被删除，如果t节点被删除，就不能插入。  
31.                 if (t.indexesDeletedNode()) {  
32.                     findNode(key); // cleans up  
33.                     return;  
34.                 }  
35.                 //尝试将Index t插入q和q的right节点r之间。  
36.                 if (!q.link(r, t))  
37.                     break; // restart  
38.                 if (–insertionLevel == 0) {  
39.                     // 最后还要做一次删除检测。  
40.                     if (t.indexesDeletedNode())  
41.                         findNode(key);  
42.                     return;  
43.                 }  
44.             }  
45.             if (–j >= insertionLevel && j < indexLevel)  
46.                 t = t.down;  
47.             q = q.down;  
48.             r = q.right;  
49.         }  
50.     }  
51. }  

       看到上述put的第2步过程，可能会疑惑，这是一个一个往后找的，put的时间复杂度看起来更像O(n)啊，其实玄机就在findPredecessor方法里面，看下这个方法： 

Java代码  

1. /** 
2.  * 返回最底层(base-level)节点链中比给定key小(在“给定节点”左边)的节点， 
3.  * 如果没找到，那么返回底层链的头节点。 
4.  * 在查找过程中会顺手删除帮助删除一点标记为删除的节点。 
5.  */  
6. private Node<K,V> findPredecessor(Comparable<? super K> key) {  
7.     if (key == null)  
8.         throw new NullPointerException(); // don’t postpone errors  
9.     for (;;) {  
10.         //将最高层的头节点赋给q。  
11.         Index<K,V> q = head;  
12.         //将最高层头结点的右节点赋给r。  
13.         Index<K,V> r = q.right;  
14.         for (;;) {  
15.             if (r != null) {  
16.                 //如果r不为null，找到r中的数据节点n。  
17.                 Node<K,V> n = r.node;  
18.                 K k = n.key;  
19.                 if (n.value == null) {  
20.                     //如果n已经被删除，那么尝试推进删除。  
21.                     if (!q.unlink(r))  
22.                         break;           // 推进删除失败，重试。  
23.                     r = q.right;         // 再次读取q的头结点，因为上面删除成功后，q的右节点变了。  
24.                     continue;  
25.                 }  
26.                 //n没被删除的话，和key进行比较。  
27.                 if (key.compareTo(k) > 0) {  
28.                     //如果给定的key表示的节点在n后面的话，继续往后找。  
29.                     q = r;  
30.                     r = r.right;  
31.                     continue;  
32.                 }  
33.             }  
34.             //如果r为null，那么往下找。  
35.             //获取q的下节点d  
36.             Index<K,V> d = q.down;  
37.             if (d != null) {  
38.                 //如果d不为null，将d赋给q，d的右节点赋给r，再次循环。  
39.                 q = d;  
40.                 r = d.right;  
41.             } else  
42.                 return q.node; //如果d为空，说明q就是最底层的节点，返回这个节点。  
43.         }  
44.     }  
45. }  

       上述过程其实可以简单的理解为，从最高层的头节点开始找，给定key大于当前节点，就往右找，否则就往下找，一直找到最底层链上的节点，这个节点就是给定key在base_level上的前驱节点。  

       上面的doPut方法中，最后还有一个生成level index的部分，首先调用randomLevel得到一个level值，如果这个值大于0，就调用insertIndex生成一个index，先看下randomLevel： 

Java代码  

1. /** 
2.  * Returns a random level for inserting a new node. 
3.  * Hardwired to k=1, p=0.5, max 31 (see above and 
4.  * Pugh’s “Skip List Cookbook”, sec 3.4). 
5.  * 
6.  * This uses the simplest of the generators described in George 
7.  * Marsaglia’s “Xorshift RNGs” paper.  This is not a high-quality 
8.  * generator but is acceptable here. 
9.  */  
10. private int randomLevel() {  
11.     int x = randomSeed;  
12.     x ^= x << 13;  
13.     x ^= x >>> 17;  
14.     randomSeed = x ^= x << 5;  
15.     if ((x & 0x8001) != 0) // test highest and lowest bits  
16.         return 0;  
17.     int level = 1;  
18.     while (((x >>>= 1) & 1) != 0) ++level;  
19.     return level;  
20. }  

       这段代码有些蛋疼…总之就是50%的几率返回0，25%的几率返回1，12.5%的几率返回2…最大返回31。

       继续看insertIndex方法：

Java代码  

1. /** 
2.  * 为给定的数据节点创建和添加Index节点。 
3.  */  
4. private void insertIndex(Node<K,V> z, int level) {  
5.     HeadIndex<K,V> h = head;  
6.     int max = h.level;  
7.     if (level <= max) {  
8.         Index<K,V> idx = null;  
9.         //如果level比当前的max level小，那么创建level个节点，纵向链接起来  
10.         //(level2的down节点指向level1、level3的down节点指向level2…)  
11.         for (int i = 1; i <= level; ++i)  
12.             idx = new Index<K,V>(z, idx, null);  
13.         //添加index。  
14.         addIndex(idx, h, level);  
15.     } else { //如果level比当前的max level大，添加level。  
16.         /* 
17.          * 为了减小其他线程在tryReduceLevel方法中检测空level的干扰， 
18.          * 新的level添加时右节点就已经初始化好了。它们被依次放到一个 
19.          * 数组里面，当创建新的head index时，会反向访问它们。 
20.          */  
21.         //level设置为max+1  
22.         level = max + 1;  
23.         //建立一个长度为level的Index数组，  
24.         Index<K,V>[] idxs = (Index<K,V>[])new Index[level+1];  
25.         Index<K,V> idx = null;  
26.         //还是创建level个节点，纵向链接起来，同时将它们放入Index数组。  
27.         for (int i = 1; i <= level; ++i)  
28.             idxs[i] = idx = new Index<K,V>(z, idx, null);  
29.         HeadIndex<K,V> oldh;  
30.         int k;  
31.         for (;;) {  
32.             oldh = head;  
33.             int oldLevel = oldh.level;  
34.             if (level <= oldLevel) { // 竞争失败，跳出。  
35.                 k = level;  
36.                 break;  
37.             }  
38.             HeadIndex<K,V> newh = oldh;  
39.             Node<K,V> oldbase = oldh.node;  
40.             for (int j = oldLevel+1; j <= level; ++j)  
41.                 /* 
42.                  *这里创建新的HeadIndex，其数据节点为oldBase，down节点为 
43.                  *之前的head，right节点为上面Index中level最高的节点，level为j 
44.                  */  
45.                 newh = new HeadIndex<K,V>(oldbase, newh, idxs[j], j);  
46.             //尝试将head设置为新创建的HeadIndex。  
47.             if (casHead(oldh, newh)) {  
48.                 k = oldLevel;  
49.                 break;  
50.             }  
51.         }  
52.         //添加index。  
53.         addIndex(idxs[k], oldh, k);  
54.     }  
55. }  

       再继续看下这个addIndex方法：

Java代码  

1. private void addIndex(Index<K,V> idx, HeadIndex<K,V> h, int indexLevel) {  
2.     // 记录下一个要添加的level，以防重试。  
3.     int insertionLevel = indexLevel;  
4.     Comparable<? super K> key = comparable(idx.node.key);  
5.     if (key == null) throw new NullPointerException();  
6.     // 和findPredecessor过程类似，只是在过程中会添加index节点。  
7.     for (;;) {  
8.         int j = h.level;  
9.         Index<K,V> q = h;  
10.         Index<K,V> r = q.right;  
11.         Index<K,V> t = idx;  
12.         for (;;) {  
13.             if (r != null) {  
14.                 Node<K,V> n = r.node;  
15.                 // compare before deletion check avoids needing recheck  
16.                 int c = key.compareTo(n.key);  
17.                 if (n.value == null) {  
18.                     if (!q.unlink(r))  
19.                         break;  
20.                     r = q.right;  
21.                     continue;  
22.                 }  
23.                 if (c > 0) {  
24.                     q = r;  
25.                     r = r.right;  
26.                     continue;  
27.                 }  
28.             }  
29.             if (j == insertionLevel) {  
30.                 // 这里还需要检查t节点是否被删除，如果t节点被删除，就不能插入。  
31.                 if (t.indexesDeletedNode()) {  
32.                     findNode(key); // cleans up  
33.                     return;  
34.                 }  
35.                 //尝试将Index t插入q和q的right节点r之间。  
36.                 if (!q.link(r, t))  
37.                     break; // restart  
38.                 if (–insertionLevel == 0) {  
39.                     // 最后还要做一次删除检测。  
40.                     if (t.indexesDeletedNode())  
41.                         findNode(key);  
42.                     return;  
43.                 }  
44.             }  
45.             if (–j >= insertionLevel && j < indexLevel)  
46.                 t = t.down;  
47.             q = q.down;  
48.             r = q.right;  
49.         }  
50.     }  
51. }  

       这个方法要做的事情其实就是：针对一个给定的节点和level值，将之前建立的从上到下的Index节点链接进来，如图： 

       当然方法有几个地方要检测当前的idx节点有没有被删除，如果有，要调用一个findNode来做调整，看下这个方法：

Java代码  

1. /** 
2.  * 通过给定的key查找对应的数据节点，查找过程中会顺便清理一些  
3.  * 已经标记为删除的节点。 
4.  * 一些地方会调用这个方法，不是为了查找节点，而是为了使用清理  
5.  * 删除节点的这个”副作用”。 
6.  * 
7.  * 下列情况出现时，会重新遍历： 
8.  * 
9.  *   (1) 在读取了n的next域之后，n不再是b当前的后继节点了，这意味 
10.  *       着我们没有和之前保持一致的3节点(b->n->f)快照，所以无法 
11.  *       删除后续节点。 
12.  * 
13.  *   (2) 节点n的value域为null，说明n已经被删除。这种情况下，我们 
14.  *       先帮助推进n节点的删除，然后再重试。 
15.  * 
16.  *   (3) n是一个标记节点或者n的前驱节点的value域为null。意味着  
17.  *       findPredecessor方法会返回一个被删除的节点。我们无法移  
18.  *       除这节点，因为无法确定它的前驱节点。所以再次调用findPredecessor  
19.  *       (findPredecessor方法中会处理这个情况)并返正确的前驱节点。 
20.  */  
21. private Node<K,V> findNode(Comparable<? super K> key) {  
22.     for (;;) {  
23.         //找到key对应的在base_level上的前驱节点。  
24.         Node<K,V> b = findPredecessor(key);  
25.         Node<K,V> n = b.next;  
26.         for (;;) {  
27.             if (n == null)  
28.                 return null;  
29.             Node<K,V> f = n.next;  
30.             if (n != b.next)                // 读取不一致，说明发生竞争，重试。  
31.                 break;  
32.             Object v = n.value;  
33.             if (v == null) {                // n被删除了，帮助推进n的删除，重试。  
34.                 n.helpDelete(b, f);  
35.                 break;  
36.             }  
37.             if (v == n || b.value == null)  // b被删除了，重试。  
38.                 break;  
39.             //开始比较  
40.             int c = key.compareTo(n.key);  
41.             if (c == 0)  
42.                 return n; //找到对应节点。  
43.             if (c < 0)  
44.                 return null;  
45.             b = n;  
46.             n = f;  
47.         }  
48.     }  
49. }  

       再次更细致的总结一下put方法：               1.首先要根据给定的key找出在base_level链表中对应的前驱节点(从结构图的左上角往右或往下一路找过来)，注意put方法使用的log(n)时间主要体现在这个过程，这个查找过程中会顺便帮忙推进一些节点的删除。               2.找到前驱节点后，然后从这个前驱节点往后找到要插入的位置(注意当前已经在base_level上，所以只需要往后找)，这个查找过程中也会顺便帮忙推进一些节点的删除。。               3.找到了要插入的位置，尝试插入，如果竞争导致插入失败，返回到第1步重试；如果插入成功，接下来会随机生成一个level，如果这个level大于0，需要将插入的节点在垂直线上生成level(level<=maxLevel + 1)个Index节点。  

• 分析完了put方法，再看下get方法：

Java代码  

1. public V get(Object key) {  
2.     return doGet(key);  
3. }  
4. private V doGet(Object okey) {  
5.     //转换成可比较的Key。  
6.     Comparable<? super K> key = comparable(okey);  
7.     Node<K,V> bound = null;  
8.     Index<K,V> q = head;  
9.     Index<K,V> r = q.right;  
10.     Node<K,V> n;  
11.     K k;  
12.     int c;  
13.     for (;;) {  
14.         Index<K,V> d;  
15.         // 向右遍历，一直到null或者当前给定key(对应的节点)大的节点(bound)  
16.         // 当前给定key对应的节点应该在bound的左边。  
17.         if (r != null && (n = r.node) != bound && (k = n.key) != null) {  
18.             if ((c = key.compareTo(k)) > 0) {  
19.                 q = r;  
20.                 r = r.right;  
21.                 continue;  
22.             } else if (c == 0) {  
23.                 Object v = n.value;  
24.                 return (v != null)? (V)v : getUsingFindNode(key);  
25.             } else  
26.                 bound = n;  
27.         }  
28.         // 往下找。  
29.         if ((d = q.down) != null) {  
30.             q = d;  
31.             r = d.right;  
32.         } else  
33.             break;  
34.     }  
35.     // 现在到了base_level，往后找就可以了。  
36.     for (n = q.node.next;  n != null; n = n.next) {  
37.         if ((k = n.key) != null) {  
38.             if ((c = key.compareTo(k)) == 0) {  
39.                 Object v = n.value;  
40.                 return (v != null)? (V)v : getUsingFindNode(key);  
41.             } else if (c < 0)  
42.                 break;  
43.         }  
44.     }  
45.     return null;  
46. }  

       可见get的过程大概是这样：从最左最高的头节点开始往右或者往下(通过key的比较)遍历，一直找到base_level，然后往后一直找到给定节点，找不到的话返回null。

       代码中还会看到，如果找到了节点，还会判断节点上的value是否为null。如果不为null，直接返回这个value；如果为null，说明这个节点被删除了(正在删除过程中)，那么需要调用一个getUsingFindNode方法，看下这个方法： 

Java代码  

1. private V getUsingFindNode(Comparable<? super K> key) {  
2.     for (;;) {  
3.         Node<K,V> n = findNode(key);  
4.         if (n == null)  
5.             return null;  
6.         Object v = n.value;  
7.         if (v != null)  
8.             return (V)v;  
9.     }  
10. }  

       此方法中会再次调用前面分析过的findNode方法来查找一个key对应的Node，注意方法中外侧还是包了一层无限循环，为的是避免由于竞争导致findNode方法返回的Node又是一个被删除的节点。  

• 继续看下containsKey方法：

Java代码  

1. public boolean containsKey(Object key) {  
2.     return doGet(key) != null;  
3. }  

       containsKey实现非常简单，直接基于doGet方法来做。  

• 接着看下remove方法：

Java代码  

1. public V remove(Object key) {  
2.     return doRemove(key, null);  
3. }  
4. final V doRemove(Object okey, Object value) {  
5.     //转换成可比较的key  
6.     Comparable<? super K> key = comparable(okey);  
7.     for (;;) {  
8.         //找到key在base_level链上的前驱节点。  
9.         Node<K,V> b = findPredecessor(key);  
10.         Node<K,V> n = b.next;  
11.         for (;;) {  
12.             if (n == null)  
13.                 return null;  
14.             Node<K,V> f = n.next;  
15.             if (n != b.next)                    // 读取不一致，重试。  
16.                 break;  
17.             Object v = n.value;  
18.             if (v == null) {                    // 如果n被删除了，帮助推进删除，然后重试。  
19.                 n.helpDelete(b, f);  
20.                 break;  
21.             }  
22.             if (v == n || b.value == null)      // 如果b被删除了，重试。  
23.                 break;  
24.             int c = key.compareTo(n.key);  
25.             if (c < 0)  
26.                 return null; //如果比找到的前驱节点的后继节点小，说明没有指定的key对应的节点，返回null。  
27.             if (c > 0) {  
28.                 //如果比找到的前驱节点的后继节点大，说明目标节点在这个节点后面，往后找。  
29.                 b = n;  
30.                 n = f;  
31.                 continue;  
32.             }  
33.             if (value != null && !value.equals(v))  
34.                 return null;//给定的value和链表中的value不一致，删除失败。  
35.             if (!n.casValue(v, null))//首先尝试将要删除的目标节点n的value置空。  
36.                 break; //如果失败，说明发生竞争，重试。  
37.             /* 
38.              * 如果上一步将n的value置空成功，接下来首先尝试将n的后面追加一个标记节点， 
39.              * 成功的话，再尝试将n和标记节点一起移除，这两部有任何一步失败，都会调用 
40.              * findNode来完成删除(利用findNode方法的副作用) 
41.              */  
42.             if (!n.appendMarker(f) || !b.casNext(n, f))  
43.                 findNode(key);                  // Retry via findNode  
44.             else {  
45.                 /* 
46.                  * 如果上面的n.appendMarker(f)和b.casNext(n, f)都调用成功， 
47.                  * 然后就会调用这个方法，注意这里其实也是使用这个方法的 
48.                  * 副作用来删除节点n的Index节点。 
49.                  */  
50.                 findPredecessor(key);             
51.                 if (head.right == null)  
52.                     // 删除了一些Index之后，这里判断一下head的right节点是否为null,  
53.                     // 如果为null，说明最高层的Index链已经不存在数据，可以删掉了。  
54.                     tryReduceLevel();  
55.             }  
56.             return (V)v;  
57.         }  
58.     }  
59. }  

       看一下上面方法中最后调用的tryReduceLevel方法： 

Java代码  

1. private void tryReduceLevel() {  
2.     HeadIndex<K,V> h = head;  
3.     HeadIndex<K,V> d;  
4.     HeadIndex<K,V> e;  
5.     if (h.level > 3 &&  
6.         (d = (HeadIndex<K,V>)h.down) != null &&  
7.         (e = (HeadIndex<K,V>)d.down) != null &&  
8.         e.right == null &&  
9.         d.right == null &&  
10.         h.right == null &&  
11.         casHead(h, d) && // try to set  
12.         h.right != null) // recheck  
13.         casHead(d, h);   // try to backout  
14. }  

       这个方法看起来有点绕，其实是说：如果最高的前三个HeadIndex都为null(当前看起来)，那么就将level减少1层，其实就是将h(当前的head)设置为d(head的下一层)，设置完成之后，还有检测h(之前的head)的right是否为null(因为可能刚才由于竞争的原因，导致看到h的right为null)，如果这会儿又不是null，那么还得回退回来，再次将head设置为h。  

• 再看下containsValue方法：

Java代码  

1. public boolean containsValue(Object value) {  
2.     if (value == null)  
3.         throw new NullPointerException();  
4.     for (Node<K,V> n = findFirst(); n != null; n = n.next) {  
5.         V v = n.getValidValue();  
6.         if (v != null && value.equals(v))  
7.             return true;  
8.     }  
9.     return false;  
10. }  

       containsValue的实现也比较简答，就是先找到base_level链的第一个节点，然后一直往后找，比较value值。

       看下上面用到的findFirst方法： 

Java代码  

1. Node<K,V> findFirst() {  
2.     for (;;) {  
3.         Node<K,V> b = head.node;  
4.         Node<K,V> n = b.next;  
5.         if (n == null)  
6.             return null;  
7.         if (n.value != null)  
8.             return n;  
9.         n.helpDelete(b, n.next);  
10.     }  
11. }  

       就是找到head中node(BASE_HEADER节点)的next，有可能next节点被删除了，所以会做检测，删除的话，推进一下删除，然后继续获取。size和isEmpty也是基于这个方法实现的： 

Java代码  

1. public int size() {  
2.     long count = 0;  
3.     for (Node<K,V> n = findFirst(); n != null; n = n.next) {  
4.         if (n.getValidValue() != null)  
5.             ++count;  
6.     }  
7.     return (count >= Integer.MAX_VALUE)? Integer.MAX_VALUE : (int)count;  
8. }  
9. public boolean isEmpty() {  
10.     return findFirst() == null;  
11. }  

• ConcurrentSkipListMap实现了ConcurrentMap接口，看下这些接口方法的实现：

Java代码  

1. public V putIfAbsent(K key, V value) {  
2.      if (value == null)  
3.          throw new NullPointerException();  
4.      return doPut(key, value, true);  
5.  }  
6.   
7.  public boolean remove(Object key, Object value) {  
8.      if (key == null)  
9.          throw new NullPointerException();  
10.      if (value == null)  
11.          return false;  
12.      return doRemove(key, value) != null;  
13.  }  
14.   
15.  public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {  
16.      if (oldValue == null || newValue == null)  
17.          throw new NullPointerException();  
18.      Comparable<? super K> k = comparable(key);  
19.      for (;;) {  
20.          Node<K,V> n = findNode(k);  
21.          if (n == null)  
22.              return false;  
23.          Object v = n.value;  
24.          if (v != null) {  
25.              if (!oldValue.equals(v))  
26.                  return false;  
27.              if (n.casValue(v, newValue))  
28.                  return true;  
29.          }  
30.      }  
31.  }  
32.   
33.  public V replace(K key, V value) {  
34.      if (value == null)  
35.          throw new NullPointerException();  
36.      Comparable<? super K> k = comparable(key);  
37.      for (;;) {  
38.          Node<K,V> n = findNode(k);  
39.          if (n == null)  
40.              return null;  
41.          Object v = n.value;  
42.          if (v != null && n.casValue(v, value))  
43.              return (V)v;  
44.      }  
45.  }  

       ConcurrentMap API方法实现中使用到的方法前面都分析过了，可以参考下前面的分析。  

• ConcurrentSkipListMap同样实现了SortedMap接口，看下相关接口方法的实现：

Java代码  

1. public K lastKey() {  
2.     Node<K,V> n = findLast();  
3.     if (n == null)  
4.         throw new NoSuchElementException();  
5.     return n.key;  
6. }  

       这里出现了一个findLast方法，之前没分析过，看下： 

Java代码  

1. Node<K,V> findLast() {  
2.     Index<K,V> q = head;  
3.     for (;;) {  
4.         Index<K,V> d, r;  
5.         if ((r = q.right) != null) {  
6.             if (r.indexesDeletedNode()) { //如果发现节点已经删除的Index，顺便移除。  
7.                 q.unlink(r);  
8.                 q = head; // 重试。  
9.             }  
10.             else  
11.                 q = r; //向右找  
12.         } else if ((d = q.down) != null) {  
13.             q = d; //向下找  
14.         } else {  
15.             //现在到了base_level链上，向后找。  
16.             Node<K,V> b = q.node;  
17.             Node<K,V> n = b.next;  
18.             for (;;) {  
19.                 if (n == null)  
20.                     //最后定位到节点后需要检测一下是不是baseHead  
21.                     return (b.isBaseHeader())? null : b;   
22.                 Node<K,V> f = n.next;            // 读取不一致，有竞争发生，重试。  
23.                 if (n != b.next)  
24.                     break;  
25.                 Object v = n.value;  
26.                 if (v == null) {                 // n节点被删除，重试。  
27.                     n.helpDelete(b, f);  
28.                     break;  
29.                 }  
30.                 if (v == n || b.value == null)   // b节点被删除，重试。  
31.                     break;  
32.                 b = n;  
33.                 n = f;  
34.             }  
35.             q = head; // restart  
36.         }  
37.     }  
38. }  

       再看一个方法： Java代码  

1. public Map.Entry<K,V> lowerEntry(K key) {  
2.     return getNear(key, LT);  
3. }  

       这个方法的意思是找到一个比给定key小的所有key里面最大的key对应的Entry，里面调用了getNear方法：  Java代码  

1. AbstractMap.SimpleImmutableEntry<K,V> getNear(K key, int rel) {  
2.     for (;;) {  
3.         Node<K,V> n = findNear(key, rel);  
4.         if (n == null)  
5.             return null;  
6.         AbstractMap.SimpleImmutableEntry<K,V> e = n.createSnapshot();  
7.         if (e != null)  
8.             return e;  
9.     }  
10. }  

       getNear方法里面首先通过findNear方法找到指定的Node，然后通过createSnapshot方法返回一个Entry，这个方法最开始的时候看到过。下面重点看下这个findNear方法：  Java代码  

1. private static final int EQ = 1;  
2. private static final int LT = 2;  
3. private static final int GT = 0; // Actually checked as !LT  
4. /** 
5.  * Utility for ceiling, floor, lower, higher methods. 
6.  * @param kkey the key 
7.  * @param rel the relation — OR’ed combination of EQ, LT, GT 
8.  * @return nearest node fitting relation, or null if no such 
9.  */  
10. Node<K,V> findNear(K kkey, int rel) {  
11.     Comparable<? super K> key = comparable(kkey);  
12.     for (;;) {  
13.         Node<K,V> b = findPredecessor(key);  
14.         Node<K,V> n = b.next;  
15.         for (;;) {  
16.             if (n == null)  
17.                 return ((rel & LT) == 0 || b.isBaseHeader())? null : b; //出口1  
18.             Node<K,V> f = n.next;  
19.             if (n != b.next)                  // inconsistent read  
20.                 break;  
21.             Object v = n.value;  
22.             if (v == null) {                  // n is deleted  
23.                 n.helpDelete(b, f);  
24.                 break;  
25.             }  
26.             if (v == n || b.value == null)    // b is deleted  
27.                 break;  
28.             int c = key.compareTo(n.key);  
29.             if ((c == 0 && (rel & EQ) != 0) ||  
30.                 (c <  0 && (rel & LT) == 0))  
31.                 return n; //出口2  
32.             if ( c <= 0 && (rel & LT) != 0)  
33.                 return (b.isBaseHeader())? null : b; //出口3  
34.             b = n;  
35.             n = f;  
36.         }  
37.     }  
38. }  

       这个方法整体流程其实和findNode类似，都是从head开始先找到base_level的上给定key的前驱节点，然后再往后找。区别是这里传入关系参数-EQ、LT、GT(GT在代码里面没直接用，而是通过没有LT来判断)，我们可以通过lowerEntry方法来分析，lowerEntry方法中间接调用的findNear方法传入的是LT，所以当在findNear方法中定位到目标节点n的时候，节点关系是这样的：[b->n->f]，节点key和给定key的大小关系是这样的：[b<k<=n<f]，所以代码会从findNear中的出口3(见注释)返回。        接着分析下floorEntry：  Java代码  

1. public Map.Entry<K,V> floorEntry(K key) {  
2.     return getNear(key, LT|EQ);  
3. }  

       floorEntry方法中间接调用的findNear方法传入的是LT|EQ，所以当在findNear方法中定位到目标节点n的时候，节点关系是这样的：[b->n->f]，节点key和给定key的大小关系是这样的：[b<k<=n<f]，这里分两种情况：1.如果k<n，那么会从出口3退出，返回b；2.如果k=n，那么会从出口2退出(满足条件(c == 0 && (rel & EQ) != 0))，返回n。        继续分析下ceilingEntry： Java代码  

1. public Map.Entry<K,V> ceilingEntry(K key) {  
2.     return getNear(key, GT|EQ);  
3. }  

       ceilingEntry方法中间接调用的findNear方法传入的是GT|EQ，所以当在findNear方法中定位到目标节点n的时候，节点关系是这样的：[b->n->f]，节点key和给定key的大小关系是这样的：[b<k<=n<f]，这里分两种情况：1.如果k<n(k>b)，那么会从出口2退出(满足条件(c <  0 && (rel & LT) == 0))，返回b；2.如果k=n，那么也会从出口2退出(满足条件(c == 0 && (rel & EQ) != 0))，返回n。        最后分析下higherEntry：  Java代码  

1. public Map.Entry<K,V> higherEntry(K key) {  
2.     return getNear(key, GT);  
3. }  

       higherEntry方法中间接调用的findNear方法传入的是GT，所以当在findNear方法中定位到目标节点n的时候，节点关系是这样的：[b->n->f]，节点key和给定key的大小关系是这样的：[b<k<=n<f]，这里分两种情况：1.如果k<n，那么会从出口2退出(满足条件(c <  0 && (rel & LT) == 0))，返回b；2.如果k=n，那么会进入下一次循环，关系变成这样：[b<n=k<f]，这时会从出口2退出(满足条件(c <  0 && (rel & LT) == 0))，这时返回的是f。          当然，上面分析的所有方法，都会遇到在findNear中遇到n==null的可能，这时关系图如下[b<k-null]，k一定大于b，所以只有传入LT，才可以返回b；否则都是null。而且如果b本身是BaseHead，也只能返回null。  

• ConcurrentSkipListMap分析到这里，一些关键的地方已经分析到了，至于其他没覆盖到的方法，基本都是基于上面分析的方法或思路来实现的，这里就不一一分析了。

       最后提一下，看这个类源码的时候，一定要注意几个方面：
       1.注意数据结构，可以仔细理解上面给出的结构图，或者先了解下跳表的背景知识。
       2.注意删除节点是一个标记删除的过程，分两步，记住这个过程；而且源码中好多方法在遍历的过程中都会帮助推进删除。
       3.由于此类是一种无锁并发的实现，所以代码细节上会考虑各种竞争情况，导致代码比较复杂，所以阅读的时候也要考虑全面，仔细看注释，揣摩作者的意图。  

• 最后，ConcurrentSkipListSet基于ConcurrentSkipListMap实现的：

Java代码  

1. public class ConcurrentSkipListSet<E>  
2.     extends AbstractSet<E>  
3.     implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable {  
4.     private static final long serialVersionUID = -2479143111061671589L;  
5.   
6.     private final ConcurrentNavigableMap<E,Object> m;  
7.   
8.     public ConcurrentSkipListSet() {  
9.         m = new ConcurrentSkipListMap<E,Object>();  
10.     }  
11.     …  
12.     public boolean add(E e) {  
13.     return m.putIfAbsent(e, Boolean.TRUE) == null;  
14.     }  
15.     … 
16. 原文地址：http://brokendreams.iteye.com/blog/2253955