《Java源码分析》:ConcurrentHashMap JDK1.8

《Java源码分析》:ConcurrentHashMap JDK1.8

最近一直在看关于J.U.C中的源码,了解原子操作,了解锁机制,了解多线程并发等等。但是ConcurrentHashMap一直拖着到今天才算告一段落。

也要感谢ConcurrentHashMap这个类,刚开始就是想弄懂里面的工作原理,但是,无奈看了网上关于介绍ConcurrentHashMap这个类的资料或博客都是基于JDK1.8以前的,而刚好此类在JDK1.8之后有很大的变化。因此,由于里面涉及到关于原子操作CAS,自己以前并不知道是什么,于是就开始对原子操作进行了解,看了java.util.concurrent.atom包下相关类源码对其有了一定的了解。接着为了了解锁机制,看了java.util.concurrent.lock包下相关的类库,对锁机制有了大概的了解之后,看了线程池相关的类,对线程池也有了一定的了解。

关于阻塞队列相关的类,自己也大致看了下,但是并没有形成相应的博文,以后有时间重新来了解他们的时候才记录吧。整个过程大概花费了我将近一个来月的时间,虽然对看过的类库的内部实现都只是一个大致的了解,但是确实收获还是挺多的。让我们更好的明白在多线程并发中他们是如何来工作的。

回到正题,刚好借着今天星期天,花了将近一天的时间来看ConcurrentHashMap的实现原理,总算看了一个大概,有了一个大致的了解。也就有了这篇博文。

ConcurrentHashMap 在JDK1.8版本以前的实现原理

既然本篇博文的标题明确的标出了是基于JDK1.8版本的,也就暗示了这个版本和以前的版本关于ConcurrentHashMap有些许的不同,对吧。x

下面我们就先借助网上的资料来看下以前版本的ConcurrentHashMap的实现思路。

我们都知道HashMap是线程不安全的。Hashtable是线程安全的。看过Hashtable源码的我们都知道Hashtable的线程安全是采用在每个方法来添加了synchronized关键字来修饰,即Hashtable是针对整个table的锁定,这样就导致HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下。

效率低下的原因说的更详细点:是因为所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁。当一个线程访问HashTable的同步方法时,其他线程访问HashTable的同步方法时,可能会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行添加元素,线程2不但不能使用put方法添加元素,并且也不能使用get方法来获取元素,所以竞争越激烈效率越低。

基于Hashtable的缺点,人们就开始思考,假如容器里有多把锁,每一把锁用于锁容器其中一部分数据,那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时,线程间就不会存在锁竞争,从而可以有效的提高并发访问效率呢??这就是我们的“锁分离”技术,这也是ConcurrentHashMap实现的基础。

ConcurrentHashMap使用的就是锁分段技术,ConcurrentHashMap由多个Segment组成(Segment下包含很多Node,也就是我们的键值对了),每个Segment都有把锁来实现线程安全,当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候,其他段的数据也能被其他线程访问。

因此,关于ConcurrentHashMap就转化为了对Segment的研究。这是因为,ConcurrentHashMap的get、put操作是直接委托给Segment的get、put方法,但是自己上手上的JDK1.8的具体实现确不想网上这些博文所介绍的。因此,就有了本篇博文的介绍。

推荐几个JDK1.8以前版本的关于ConcurrentHashMap的原理分析,方便大家比较。

1、http://www.iteye.com/topic/344876

2、http://ifeve.com/concurrenthashmap/

如需要更多,请自己网上搜索即可。

下面就开始JDK1.8版本中ConcurrentHashMap的介绍。

JDK1.8 版本中ConcurrentHashMap介绍

1、前言

首先要说明的几点:

1、JDK1.8的ConcurrentHashMap中Segment虽保留,但已经简化属性,仅仅是为了兼容旧版本。

2、ConcurrentHashMap的底层与Java1.8的HashMap有相通之处,底层依然由“数组”+链表+红黑树来实现的,底层结构存放的是TreeBin对象,而不是TreeNode对象;

3、ConcurrentHashMap实现中借用了较多的CAS算法,unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); CAS(Compare And Swap),意思是如果valueOffset位置包含的值与expect值相同,则更新valueOffset位置的值为update,并返回true,否则不更新,返回false。

ConcurrentHashMap既然借助了CAS来实现非阻塞的无锁实现线程安全,那么是不是就没有用锁了呢??答案:还是使用了synchronized关键字进行同步了的,在哪里使用了呢?在操作hash值相同的链表的头结点还是会synchronized上锁,这样才能保证线程安全。

看完ConcurrentHashMap整个类的源码,给自己的感觉就是和HashMap的实现基本一模一样,当有修改操作时借助了synchronized来对table[i]进行锁定保证了线程安全以及使用了CAS来保证原子性操作,其它的基本一致,例如:ConcurrentHashMap的get(int key)方法的实现思路为:根据key的hash值找到其在table所对应的位置i,然后在table[i]位置所存储的链表(或者是树)进行查找是否有键为key的节点,如果有,则返回节点对应的value,否则返回null。思路是不是很熟悉,是不是和HashMap中该方法的思路一样。所以,如果你也在看ConcurrentHashMap的源码,不要害怕,思路还是原来的思路,只是多了些许东西罢了。

2、ConcurrentHashMap类中相关属性的介绍

为了方便介绍此类后面的实现,这里需要先将此类中的一些属性给介绍下。

sizeCtl最重要的属性之一,看源码之前,这个属性表示什么意思,一定要记住。

0、private transient volatile int sizeCtl;//控制标识符

此属性在源码中给出的注释如下:

     /**
        * Table initialization and resizing control.  When negative, the
        * table is being initialized or resized: -1 for initialization,
        * else -(1 + the number of active resizing threads).  Otherwise,
        * when table is null, holds the initial table size to use upon
        * creation, or 0 for default. After initialization, holds the
        * next element count value upon which to resize the table.
        */

翻译如下:

sizeCtl是控制标识符,不同的值表示不同的意义。

  • 负数代表正在进行初始化或扩容操作 ,其中-1代表正在初始化 ,-N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作
  • 正数或0代表hash表还没有被初始化,这个数值表示初始化或下一次进行扩容的大小,类似于扩容阈值。它的值始终是当前ConcurrentHashMap容量的0.75倍,这与loadfactor是对应的。实际容量>=sizeCtl,则扩容。

1、 transient volatile Node<K,V>[] table;是一个容器数组,第一次插入数据的时候初始化,大小是2的幂次方。这就是我们所说的底层结构:”数组+链表(或树)”

2、private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 最大容量

3、private static final intDEFAULT_CAPACITY = 16;

4、static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE – 8; // MAX_VALUE=2^31-1=2147483647

5、private static finalint DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

6、private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;

7、static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 链表转树的阀值,如果table[i]下面的链表长度大于8时就转化为数

8、static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //树转链表的阀值,小于等于6是转为链表,仅在扩容tranfer时才可能树转链表

9、static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

10、private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;

11、private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;

12、private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 – RESIZE_STAMP_BITS)) – 1; // help resize的最大线程数

13、private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 – RESIZE_STAMP_BITS;

14、static final int MOVED = -1; // hash for forwarding nodes(forwarding nodes的hash值)、标示位

15、static final int TREEBIN = -2; // hash for roots of trees(树根节点的hash值)

16、static final int RESERVED = -3; // hash for transient reservations(ReservationNode的hash值)

3、ConcurrentHashMap的构造函数

和往常一样,我们还是从类的构造函数开始说起。

    /** * Creates a new, empty map with the default initial table size (16). */
    public ConcurrentHashMap() {
    }

    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
                   MAXIMUM_CAPACITY :
                   tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
        this.sizeCtl = cap;
    }

    /* * Creates a new map with the same mappings as the given map. * */
    public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
        putAll(m);
    }

    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        this(initialCapacity, loadFactor, 1);
    }
    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                             float loadFactor, int concurrencyLevel) {
        if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (initialCapacity < concurrencyLevel)   // Use at least as many bins
            initialCapacity = concurrencyLevel;   // as estimated threads
        long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
        int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
            MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
        this.sizeCtl = cap;
    }

有过HashMap和Hashtable源码经历,看这些构造函数是不是相当easy哈。

上面的构造函数主要干了两件事:

1、参数的有效性检查

2、table初始化的长度(如果不指定默认情况下为16)。

这里要说一个参数:concurrencyLevel,表示能够同时更新ConccurentHashMap且不产生锁竞争的最大线程数。默认值为16,(即允许16个线程并发可能不会产生竞争)。为了保证并发的性能,我们要很好的估计出concurrencyLevel值,不然要么竞争相当厉害,从而导致线程试图写入当前锁定的段时阻塞。

ConcurrentHashMap类中相关节点类:Node/TreeNode/TreeBin

1、Node类

Node类是table数组中的存储元素,即一个Node对象就代表一个键值对(key,value)存储在table中。

Node类是没有提供修改入口的(唯一的setValue方法抛异常),因此只能用于只读遍历。

此类的具体代码如下:

    /* *Node类是没有提供修改入口的(setValue方法抛异常,供子类实现), 即是可读的。只能用于只读遍历。 */
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        volatile V val;//volatile,保证可见性
        volatile Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.val = val;
            this.next = next;
        }

        public final K getKey()       { return key; }
        public final V getValue()     { return val; }
        /* HashMap中Node类的hashCode()方法中的代码为:Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value) 而Objects.hashCode(key)最终也是调用了 key.hashCode(),因此,效果一样。写法不一样罢了 */;
        public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }
        public final String toString(){ return key + "=" + val; }
        public final V setValue(V value) { // 不允许修改value值,HashMap允许
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
        /* HashMap使用if (o == this),且嵌套if;ConcurrentHashMap使用&& 个人觉得HashMap格式的代码更好阅读和理解 */
        public final boolean equals(Object o) {
            Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;
            return ((o instanceof Map.Entry) &&
                    (k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&
                    (v = e.getValue()) != null &&
                    (k == key || k.equals(key)) &&
                    (v == (u = val) || v.equals(u)));
        }

        /* * Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses. *增加find方法辅助get方法 ,HashMap中的Node类中没有此方法 */
        Node<K,V> find(int h, Object k) {
            Node<K,V> e = this;
            if (k != null) {
                do {
                    K ek;
                    if (e.hash == h &&
                        ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                        return e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
            return null;
        }
    }

我们在看这个类时,可以与HashMap中的Node类的具体代码进行比较,发现在具体的实现上,有一定的细微的区别。

例如:在ConcurrentHashMap.Node的hashCode的代码是这样的:

     public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }

而HashMap.Node的hashCode的代码是这样的:

    public final int hashCode() {
                return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
            }

而Objects.hashCode(key)最终也是调用了 key.hashCode(),因此,两者的效果一样,写法不一样罢了。

除了hashCode方法有一点差别,Node类中的find方法在两个类的实现中的写法也不一样。

2、TreeNode

    /* * Nodes for use in TreeBins */
    static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;

        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next,
                 TreeNode<K,V> parent) {
            super(hash, key, val, next);
            this.parent = parent;
        }

        Node<K,V> find(int h, Object k) {
            return findTreeNode(h, k, null);
        }

        /* * Returns the TreeNode (or null if not found) for the given key * starting at given root. *根据给定的key值从root节点出发找出节点 * */
        final TreeNode<K,V> findTreeNode(int h, Object k, Class<?> kc) {
            if (k != null) {//HashMap没有非空判断
                TreeNode<K,V> p = this;
                do  {
                    int ph, dir; K pk; TreeNode<K,V> q;
                    TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right;
                    if ((ph = p.hash) > h)
                        p = pl;
                    else if (ph < h)
                        p = pr;
                    else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk)))
                        return p;
                    else if (pl == null)
                        p = pr;
                    else if (pr == null)
                        p = pl;
                    else if ((kc != null ||
                              (kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
                             (dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
                        p = (dir < 0) ? pl : pr;
                    else if ((q = pr.findTreeNode(h, k, kc)) != null)
                        return q;
                    else
                        p = pl;
                } while (p != null);
            }
            return null;
        }
    }

和HashMap相比,这里的TreeNode相当简洁;ConcurrentHashMap链表转树时,并不会直接转,
正如注释(Nodes for use in TreeBins)所说,只是把这些节点包装成TreeNode放到TreeBin中,
再由TreeBin来转化红黑树。红黑树不理解没关系,并不影响看ConcurrentHashMap的内部实现

3、TreeBins

TreeBin用于封装维护TreeNode,包含putTreeVal、lookRoot、UNlookRoot、remove、balanceInsetion、balanceDeletion等方法,当链表转树时,用于封装TreeNode,也就是说,ConcurrentHashMap的红黑树存放的时TreeBin,而不是treeNode。

TreeBins类代码太长,截取部分代码如下:

    static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {
        TreeNode<K,V> root;
        volatile TreeNode<K,V> first;
        volatile Thread waiter;
        volatile int lockState;
        // values for lockState
        static final int WRITER = 1; // set while holding write lock
        static final int WAITER = 2; // set when waiting for write lock
        static final int READER = 4; // increment value for setting read lock

        /** * Creates bin with initial set of nodes headed by b. */
        TreeBin(TreeNode<K,V> b) {
            super(TREEBIN, null, null, null);
            this.first = b;
            TreeNode<K,V> r = null;
            for (TreeNode<K,V> x = b, next; x != null; x = next) {
                next = (TreeNode<K,V>)x.next;
                x.left = x.right = null;
                if (r == null) {
                    x.parent = null;
                    x.red = false;
                    r = x;
                }
                else {
                    K k = x.key;
                    int h = x.hash;
                    Class<?> kc = null;
                    for (TreeNode<K,V> p = r;;) {
                        int dir, ph;
                        K pk = p.key;
                        if ((ph = p.hash) > h)
                            dir = -1;
                        else if (ph < h)
                            dir = 1;
                        else if ((kc == null &&
                                  (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                                 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                            dir = tieBreakOrder(k, pk);
                            TreeNode<K,V> xp = p;
                        if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                            x.parent = xp;
                            if (dir <= 0)
                                xp.left = x;
                            else
                                xp.right = x;
                            r = balanceInsertion(r, x);
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
            this.root = r;
            assert checkInvariants(root);
        }
        //........other methods
    }

5、ForwardingNode:在transfer操作中,将一个节点插入到桶中

    /* * A node inserted at head of bins during transfer operations. *在transfer操作中,一个节点插入到bins中 */
    static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
        final Node<K,V>[] nextTable;
        ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
            //Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next)是Node类的构造函数
            super(MOVED, null, null, null);
            this.nextTable = tab;
        }

        Node<K,V> find(int h, Object k) {
            // loop to avoid arbitrarily deep recursion on forwarding nodes
            outer: for (Node<K,V>[] tab = nextTable;;) {
                Node<K,V> e; int n;
                if (k == null || tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
                    (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) == null)
                    return null;
                for (;;) {
                    int eh; K ek;
                    if ((eh = e.hash) == h &&
                        ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                        return e;
                    if (eh < 0) {
                        if (e instanceof ForwardingNode) {
                            tab = ((ForwardingNode<K,V>)e).nextTable;
                            continue outer;
                        }
                        else
                            return e.find(h, k);
                    }
                    if ((e = e.next) == null)
                        return null;
                }
            }
        }
    }

ConcurrentHashMap类中的put(K key, V value)方法的原理分析

我们对Node、TreeNode、TreeBin有一点认识后,我们就可以看下ConcurrentHashMap类的put方法是如何来实现的了,这里给出一个建议,关于容器我们用的最多的就是put、get方法了,我们看源码的实现,我们核心要关注的就是put、get方法的实现,只要我们弄懂这两个方法实现,这个类的大概实现思想我们也就知道了哈

基于此,我们就先来看ConcurrentHashMap类的put方法

put(K key, V value)方法的功能:将制定的键值对映射到table中,key/value均不能为null

put方法的代码如下:

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(key, value, false);
    }

由于直接是调用了putVal(key, value, false)方法,那就我们就继续看。

putVal(key, value, false)方法的代码如下:

    /** Implementation for put and putIfAbsent */
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());//计算hash值,两次hash操作
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {//类似于while(true),死循环,直到插入成功 
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)//检查是否初始化了,如果没有,则初始化
                tab = initTable();
                /* i=(n-1)&hash 等价于i=hash%n(前提是n为2的幂次方).即取出table中位置的节点用f表示。 有如下两种情况: 1、如果table[i]==null(即该位置的节点为空,没有发生碰撞),则利用CAS操作直接存储在该位置, 如果CAS操作成功则退出死循环。 2、如果table[i]!=null(即该位置已经有其它节点,发生碰撞) */
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                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)//检查table[i]的节点的hash是否等于MOVED,如果等于,则检测到正在扩容,则帮助其扩容
                tab = helpTransfer(tab, f);//帮助其扩容
            else {//运行到这里,说明table[i]的节点的hash值不等于MOVED。
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {//锁定,(hash值相同的链表的头节点)
                    if (tabAt(tab, i) == f) {//避免多线程,需要重新检查
                        if (fh >= 0) {//链表节点
                            binCount = 1;
                            /* 下面的代码就是先查找链表中是否出现了此key,如果出现,则更新value,并跳出循环, 否则将节点加入到里阿尼报末尾并跳出循环 */
                            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)//仅putIfAbsent()方法中onlyIfAbsent为true
                                        e.val = value;//putIfAbsent()包含key则返回get,否则put并返回 
                                    break;
                                }
                                Node<K,V> pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) {//插入到链表末尾并跳出循环
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) { //树节点,
                            Node<K,V> p;
                            binCount = 2;
                            if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                           value)) != null) {//插入到树中
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            }
                        }
                    }
                }
                //插入成功后,如果插入的是链表节点,则要判断下该桶位是否要转化为树
                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)//实则是>8,执行else,说明该桶位本就有Node
                        treeifyBin(tab, i);//若length<64,直接tryPresize,两倍table.length;不转树 
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

代码比较长哈,但是不要怕,我刚开始看的时候,也被长度给吓住了,怎么可以有这么长的方法呢,HashMap中put方法的长度就很短的么。

虽然很长,但是思路相当的简单。代码详细流程如下,在上面代码中也有详细的注释

/*
putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent)方法干的工作如下:
1、检查key/value是否为空,如果为空,则抛异常,否则进行2
2、进入for死循环,进行3
3、检查table是否初始化了,如果没有,则调用initTable()进行初始化然后进行 2,否则进行4
4、根据key的hash值计算出其应该在table中储存的位置i,取出table[i]的节点用f表示。
    根据f的不同有如下三种情况:1)如果table[i]==null(即该位置的节点为空,没有发生碰撞),
                                则利用CAS操作直接存储在该位置,如果CAS操作成功则退出死循环。
                                2)如果table[i]!=null(即该位置已经有其它节点,发生碰撞),碰撞处理也有两种情况
                                    2.1)检查table[i]的节点的hash是否等于MOVED,如果等于,则检测到正在扩容,则帮助其扩容
                                    2.2)说明table[i]的节点的hash值不等于MOVED,如果table[i]为链表节点,则将此节点插入链表中即可
                                        如果table[i]为树节点,则将此节点插入树中即可。插入成功后,进行 5
5、如果table[i]的节点是链表节点,则检查table的第i个位置的链表是否需要转化为数,如果需要则调用treeifyBin函数进行转化


*/

可能你觉得上面的详细流程也比较多哈,但是不要怕,用两句话来总结的话,是如下的两步:

1、第一步根据给定的key的hash值找到其在table中的位置index。

2、找到位置index后,存储进行就好了。

只是这里的存储有三种情况罢了,第一种:table[index]中没有任何其他元素,即此元素没有发生碰撞,这种情况直接存储就好了哈。第二种,table[i]存储的是一个链表,如果链表不存在key则直接加入到链表尾部即可,如果存在key则更新其对应的value。第三种,table[i]存储的是一个树,则按照树添加节点的方法添加就好。

在putVal函数,出现了如下几个函数

1、casTabAt tabAt 等CAS操作

2、initTable 作用是初始化table数组

3、treeifyBin 作用是将table[i]的链表转化为树

下面将分别进行介绍。

这里给出第二个建议,当一个类的代码量相当大且复杂时,从我们感兴趣的方法出发,然后是遇到哪个方法就才解决哪个方法

3个用的比较多的CAS操作:casTabAt tabAt setTabAt

    /* 3个用的比较多的CAS操作 */

    @SuppressWarnings("unchecked") // ASHIFT等均为private static final 
    static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) { // 获取索引i处Node 
        return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);  
    }  
    // 利用CAS算法设置i位置上的Node节点(将c和table[i]比较,相同则插入v)。 
    static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,  
                                        Node<K,V> c, Node<K,V> v) {  
        return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);  
    }  
    // 设置节点位置的值,仅在上锁区被调用 
    static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {  
        U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);  
    }

initTable() terrifyBin方法

在putVal方法中遇到的第一个扩容函数为:initTable,即初始化

代码如下,注释相当详细,这里就不再解释。

    /** * 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) {
            if ((sc = sizeCtl) < 0)//如果sizeCtl为负数,则说明已经有其它线程正在进行扩容,即正在初始化或初始化完成
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
                //如果CAS成功,则表示正在初始化,设置为 -1,否则说明其它线程已经对其正在初始化或是已经初始化完毕
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {//再一次检查确认是否还没有初始化
                        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);//即sc = 0.75n。
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;//sizeCtl = 0.75*Capacity,为扩容门限
                }
                break;
            }
        }
        return tab;
    }

treeifyBin方法:将数组tab的第index位置的链表转化为 树

    /* *链表转树:将将数组tab的第index位置的链表转化为 树 */
    private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
        Node<K,V> b; int n, sc;
        if (tab != null) {
            if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)// 容量<64,则table两倍扩容,不转树了
                tryPresize(n << 1);
            else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
                synchronized (b) { // 读写锁 
                    if (tabAt(tab, index) == b) {
                        TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
                        for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
                            TreeNode<K,V> p =
                                new TreeNode<K,V>(e.hash, e.key, e.val,
                                                  null, null);
                            if ((p.prev = tl) == null)
                                hd = p;
                            else
                                tl.next = p;
                            tl = p;
                        }
                        setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
                    }
                }
            }
        }
    }

treeifyBin方法的思想也相当的简单,如下:

1、检查下table的长度是否大于等于MIN_TREEIFY_CAPACITY(64),如果不大于,则调用tryPresize方法将table两倍扩容就可以了,就不降链表转化为树了。如果大于,则就将table[i]的链表转化为树。

tryPresize方法

在putVal方法中遇到的第二个扩容函数为:tryPresize

    /* 扩容相关 tryPresize在putAll以及treeifyBin中调用 */
    private final void tryPresize(int size) {
        // 给定的容量若>=MAXIMUM_CAPACITY的一半,直接扩容到允许的最大值,否则调用tableSizeFor函数扩容 
        int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
            tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);//tableSizeFor(count)的作用是找到大于等于count的最小的2的幂次方
        int sc;
        while ((sc = sizeCtl) >= 0) {//只有大于等于0才表示该线程可以扩容,具体看sizeCtl的含义
            Node<K,V>[] tab = table; int n;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {//没有被初始化
                n = (sc > c) ? sc : c;
                // 期间没有其他线程对表操作,则CAS将SIZECTL状态置为-1,表示正在进行初始化 
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                    try {
                        if (table == tab) {//再一次检查
                            @SuppressWarnings("unchecked")
                            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                            table = nt;
                            sc = n - (n >>> 2);//无符号右移2位,此即0.75*n 
                        }
                    } finally {
                        sizeCtl = sc;// 更新扩容阀值 
                    }
                }
            }
            // 若欲扩容值不大于原阀值,或现有容量>=最值,什么都不用做了 
            else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
                break;
            else if (tab == table) { // table不为空,且在此期间其他线程未修改table 
                int rs = resizeStamp(n);
                if (sc < 0) {//这里的sc可能小于零么???不明白为什么会有此判断
                    Node<K,V>[] nt;//RESIZE_STAMP_SHIFT=16,MAX_RESIZERS=2^15-1 
                    if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                        sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                        transferIndex <= 0)
                        break;
                    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                        transfer(tab, nt);
                }
                else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                             (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                    transfer(tab, null);
            }
        }
    }

    /* Returns the stamp bits for resizing a table of size n.当扩容到n时,调用该函数返回一个标志位 Must be negative when shifted left by RESIZE_STAMP_SHIFT. numberOfLeadingZeros返回n对应32位二进制数左侧0的个数,如9(1001)返回28 RESIZE_STAMP_BITS=16, 因此返回值为:(参数n的左侧0的个数)|(2^15) */
    static final int resizeStamp(int n) {
        return Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1));
    }

既然是扩容,思路就比较简单哈,注释的相当详细,就不介绍了哈,在这个函数中调用transfer函数,transfer方法的代码太长,这里不贴出。

在transfer方法中,用到了如下的属性

private transient volatile Node<K,V>[] nextTable; 

仅仅在扩容使用,并且此时非空。

在扩容的过程中,还有一个辅助方法:helpTransfer方法。

代码如下:

    /* * Helps transfer if a resize is in progress. *在多线程情况下,如果发现其它线程正在扩容,则帮助转移元素。 (只有这种情况会被调用)从某种程度上说,其“优先级”很高,只要检测到扩容,就会放下其他工作,先扩容。 */
    final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {// 调用之前,nextTable一定已存在。
        Node<K,V>[] nextTab; int sc;
        if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
            (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
            int rs = resizeStamp(tab.length);//标志位
            while (nextTab == nextTable && table == tab &&
                   (sc = sizeCtl) < 0) {
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
                    break;
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                    transfer(tab, nextTab);//调用扩容方法,直接进入复制阶段 
                    break;
                }
            }
            return nextTab;
        }
        return table;
    }

以上就把跟putVal相关的函数都看了一篇哈,可能细节我们没有看懂,但是各个方法的思路我们都清楚了,继续往下面来看

分析ConcurrentHashMap类的get(int key)方法

看完了ConcurrentHashMap类的put(int key ,int value)方法的内部实现,接着看此类的get(int key)方法。

    /* 功能:根据key在Map中找出其对应的value,如果不存在key,则返回null, 其中key不允许为null,否则抛异常 */
    public V get(Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
        int h = spread(key.hashCode());//两次hash计算出hash值
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&//table不能为null,是吧
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//table[i]不能为空,是吧
            if ((eh = e.hash) == h) {//检查头结点
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                    return e.val;
            }
            else if (eh < 0)//table[i]为一颗树
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            while ((e = e.next) != null) {//链表,遍历寻找即可
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }

get(int key)方法代码实现流程如下:

1、根据key调用spread计算hash值;并根据计算出来的hash值计算出该key在table出现的位置i.

2、检查table是否为空;如果为空,返回null,否则进行3

3、检查table[i]处桶位不为空;如果为空,则返回null,否则进行4

4、先检查table[i]的头结点的key是否满足条件,是则返回头结点的value;否则分别根据树、链表查询。

get方法的思想是不是也很简单哈,与HashMap的get方法一模一样,分析到这里,ConcurrentHashMap类的源码的大概实现思路我们就基本清晰了哈,本着学习的精神,我们还是稍微看下其他的方法哈,例如:containsKey、remove、size等等

分析ConcurrentHashMap类的containsKey/containsValue方法

看下containsKey/containsValue方法

    /* * Tests if the specified object is a key in this table. */
    public boolean containsKey(Object key) {
        return get(key) != null;//直接调用get(int key)方法即可,如果有返回值,则说明是包含key的
    }

    /* *功能,检查在所有映射(k,v)中只要出现一次及以上的v==value,返回true *注意:这个方法可能需要一个完全遍历Map,因此比containsKey要慢的多 */
    public boolean containsValue(Object value) {
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        Node<K,V>[] t;
        if ((t = table) != null) {
            Traverser<K,V> it = new Traverser<K,V>(t, t.length, 0, t.length);
            for (Node<K,V> p; (p = it.advance()) != null; ) {
                V v;
                if ((v = p.val) == value || (v != null && value.equals(v)))
                    return true;
            }
        }
        return false;
    }

containsKey/containsValue方法的内部实现也比较简单哈。这里也不再详细介绍。

分析ConcurrentHashMap类的size()方法

    // Original (since JDK1.2) Map methods
    public int size() {// 旧版本方法,和推荐的mappingCount返回的值基本无区别
        long n = sumCount();
        return ((n < 0L) ? 0 :
                (n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
                (int)n);
    }

这个方法是从JDK1.2版本开始就有的方法了。而ConcurrentHashMap在JDK1.8版本中还提供了另外一种方法可以获取大小,这个方法就是mappingCount。

代码如下:

    // ConcurrentHashMap-only methods

    /** * Returns the number of mappings. This method should be used * instead of {@link #size} because a ConcurrentHashMap may * contain more mappings than can be represented as an int. The * value returned is an estimate(估计); the actual count may differ if * there are concurrent insertions or removals. * * @return the number of mappings * @since 1.8 */
    public long mappingCount() {
        long n = sumCount();
        return (n < 0L) ? 0L : n; // ignore transient negative values
    }

根据mappingCount()方法头上的注释,我们可以得到如下的信息:

1、这个应该用来代替size()方法被使用。这是因为ConcurrentHashMap可能比包含更多的映射结果,即超过int类型的最大值。

2、这个方法返回值是一个估计值,由于存在并发的插入和删除,因此返回值可能与实际值会有出入。

虽然注释这么才说使用mappingCount来代替size()方法,但是我们比较两个方法的源码你会发现这两个方法的源码基本一致。

在size()方法和mappingCount方法中都出现了sumCount()方法,因此,我们也顺便看一下。

    /* ---------------- Counter support -------------- */

    /** * A padded cell for distributing counts. Adapted from LongAdder * and Striped64. See their internal docs for explanation. */
    @sun.misc.Contended static final class CounterCell {
        volatile long value;
        CounterCell(long x) { value = x; }
    }
    // Table of counter cells. When non-null, size is a power of 2
    private transient volatile CounterCell[] counterCells;
    //ConcurrentHashMap中元素个数,基于CAS无锁更新,但返回的不一定是当前Map的真实元素个数。
    private transient volatile long baseCount; 

    final long sumCount() {
        CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
        long sum = baseCount;
        if (as != null) {
            for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
                if ((a = as[i]) != null)
                    sum += a.value;
            }
        }
        return sum;
    }

最后看下,clear,remove方法

remove方法的代码如下;

    /* * Removes the key (and its corresponding value) from this map. * This method does nothing if the key is not in the map. */
    public V remove(Object key) {
        return replaceNode(key, null, null);
    }

    /* *如果Map中存在(key,value)节点,则用对象cd来代替, *如果value为空,则删除此节点。 */
    final V replaceNode(Object key, V value, Object cv) {
        int hash = spread(key.hashCode());//计算hash值
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {//死循环,直到找到
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
                (f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null)//如果为空,则立即返回
                break;
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)//如果检测到其它线程正在扩容,则先帮助扩容,然后再来寻找,可见扩容的优先级之高
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                boolean validated = false;
                synchronized (f) {  //开始锁住这个桶,然后进行比对寻找满足(key,value)的节点
                    if (tabAt(tab, i) == f) { //重新检查,避免由于多线程的原因table[i]已经被修改
                        if (fh >= 0) {//链表节点
                            validated = true;
                            for (Node<K,V> e = f, pred = null;;) {
                                K ek;
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                     (ek != null && key.equals(ek)))) {//满足条件就是找到key出现的节点位置
                                    V ev = e.val;
                                    if (cv == null || cv == ev ||
                                        (ev != null && cv.equals(ev))) {
                                        oldVal = ev;
                                        if (value != null)//value不为空,则更新值
                                            e.val = value;
                                        //value为空,则删除此节点
                                        else if (pred != null)
                                            pred.next = e.next;
                                        else
                                            setTabAt(tab, i, e.next);//符合条件的节点e为头结点的情况
                                    }
                                    break;
                                }
                                //更改指向,继续向后循环
                                pred = e;
                                if ((e = e.next) == null)//如果为到链表末尾了,则直接退出即可
                                    break;
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) {//树节点
                            validated = true;
                            TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                            TreeNode<K,V> r, p;
                            if ((r = t.root) != null &&
                                (p = r.findTreeNode(hash, key, null)) != null) {
                                V pv = p.val;
                                if (cv == null || cv == pv ||
                                    (pv != null && cv.equals(pv))) {
                                    oldVal = pv;
                                    if (value != null)
                                        p.val = value;
                                    else if (t.removeTreeNode(p))
                                        setTabAt(tab, i, untreeify(t.first));
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
                if (validated) {
                    if (oldVal != null) {
                        if (value == null)//如果删除了节点,则要减1
                            addCount(-1L, -1);
                        return oldVal;
                    }
                    break;
                }
            }
        }
        return null;
    }

remove方法的实现思路也比较简单。如下;

1、先根据key的hash值计算书其在table的位置 i。

2、检查table[i]是否为空,如果为空,则返回null,否则进行3

3、在table[i]存储的链表(或树)中开始遍历比对寻找,如果找到节点符合key的,则判断value是否为null来决定是否是更新oldValue还是删除该节点。

clear()方法的源码如下,这里就不再进行分析了哈。

    /** * Removes all of the mappings from this map. */
    public void clear() {
        long delta = 0L; // negative number of deletions
        int i = 0;
        Node<K,V>[] tab = table;
        while (tab != null && i < tab.length) {
            int fh;
            Node<K,V> f = tabAt(tab, i);
            if (f == null)
                ++i;
            else if ((fh = f.hash) == MOVED) {
                tab = helpTransfer(tab, f);
                i = 0; // restart
            }
            else {
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        Node<K,V> p = (fh >= 0 ? f :
                                       (f instanceof TreeBin) ?
                                       ((TreeBin<K,V>)f).first : null);
                        while (p != null) {
                            --delta;
                            p = p.next;
                        }
                        setTabAt(tab, i++, null);
                    }
                }
            }
        }
        if (delta != 0L)
            addCount(delta, -1);
    }

小结

以上就是关于ConcurrentHashMap的全部介绍,是不是比较简单哈。话虽这么说,但是还是需要我们花时间和精力来慢慢看和分析总结,这样我们才会有收获,本篇博文对链表和数的转化并没有过多的介绍,以及关于在树中插入节点和查找节点也没有过多的介绍哈

    原文作者:HelloWorld_EE
    原文地址: https://blog.csdn.net/u010412719/article/details/52145145
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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