ConcurrentHashMap源码

前言

正文

jdk版本:1.8.0_181

数据结构

数组,链表 红黑树;数据结构和HashMap数据结构一样;

构造方法


    /**
     * Creates a new, empty map with the default initial table size (16).
     */
    // 无参构造方法
    public ConcurrentHashMap() {
    }
    
    // 初始化指定容量的构造方法
    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;
    }

常用的构造方法主要就是上面两种;
第一种:什么都没做,所以会使用默认的配置,默认配置就是数组长度为16
第二种:指定容器数组长度,这里和HashMap的指定容器长度的构造方法差不多,都是调用了tableSizeFor方法,
不同的是HashMap直接将传入的值作为参数去调用tableSizeFor方法,而ConcurrentHashMap将传入的值进行了
initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1,也就是在原来的基础上大概增加了一半

添加方法

提供对外调用的添加方法


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

    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        tryPresize(m.size());
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
            putVal(e.getKey(), e.getValue(), false);
    }

    public V putIfAbsent(K key, V value) {
        return putVal(key, value, true);
    }

第一个put方法,这个方法是最常用的;
第二个是将Map中的数据添加进ConcurrentHashMap,实际使用for循环Map,再put
第三个也是添加,但是是在没有key值的情况下才会添加;这种适合设置默认值的时候用;

上面三个方法都调用了putVal方法:


final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        // 判断空
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        // 计算hash值
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0; 
        // 循环(cas)
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            // 判断是否已经初始化
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
            // 判断对应(桶)数组位置是否有数据
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                // cas将数据添加至(桶)数组对应头结点(线程安全)
                if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
            // 判断当前(桶)数组对应位置是否为MOVED,判断当前Map是否在扩容
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                // 加速扩容
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                // 使用synchronized将对应位置锁住(线程安全)
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            // 链表处理,和HashMap差不多
                            for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                                K ek;
                                // 判断是否有相同的key,找到就替换
                                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;
                                // 没有找到相同的key,就直接在末尾添加
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        // 判断是否红黑树(也和HashMap差不多)
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            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) {
                    // 判断是否需要树化
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        // 链表转红黑树
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        // 修改容器中元素数量
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

说明:

  1. synchronized锁住部分代码与HashMap基本差不多;但是处理流程和HashMap就不同了;
  2. 使用cassynchronized(这里是分段锁)来保证线程安全;
  3. 扩容在addCount方法中,这里需要注意binCount数值,在addCount方法中会用到;
  4. 上面这段代码中的MOVED状态,需要结合transfer方法来观察;

流程:

  1. 判断是否初始化
  2. 判断是否为第一个节点
  3. 判断是否扩容
  4. 添加进桶中
    4.1 锁住
    4.1.1 判断链表
    4.1.1.1 判断是末尾添加还是覆盖
    4.1.2 判断是否红黑树
    4.1.2.1 红黑树添加
    4.2 判断桶中元素数量
    4.2.1 判断是否将链表转红黑树
    4.2.2 判断是添加还是覆盖,添加继续执行,覆盖则返回
  5. 添加数量(addCount

初始化方法


    private final Node<K,V>[] initTable() {
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        // 判断当前容器数组是否已经初始化
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            // 判断sizeCtl数值,如果小于0,则代表有其他线程正在初始化
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
            // cas方式修改SIZECTL值
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    // 判断容器
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                        // 判断容器长度,没若有指定,则使用DEFAULT_CAPACITY;默认16长度就在这个地方实现
                        int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                        table = tab = nt;
                        // sc为数组容量3/4
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    //修改值
                    sizeCtl = sc;
                }
                // 停止while循环
                break;
            }
        }
        return tab;
    }

初始化也使用了cas来保证线程安全;也使用了双重校验数组长度是否为空;
还需要注意的是sizeCtl,当容器正在扩容时,sizeCtl是负数;
多线程竞争时,使用了Thread.yield();

添加容器元素数量


    private final void addCount(long x, int check) {
        CounterCell[] as; long b, s;
        // 这里注意baseCount值,使用cas添加1,也就是目前容器中的元素数量
        if ((as = counterCells) != null ||
            !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
            CounterCell a; long v; int m;
            boolean uncontended = true;
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
                !(uncontended =
                  U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
                 // 分段cas方法
                fullAddCount(x, uncontended);
                return;
            }
            if (check <= 1)
                return;
            s = sumCount();
        }
        // 主要看这里
        if (check >= 0) {
            Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
            // 判断容器是否需要扩容
            while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                   (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
                int rs = resizeStamp(n);
                if (sc < 0) { // 说明已经有线程在进行扩容,加速扩容
                    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))// 增加一个线程,帮助扩容
                        transfer(tab, nt);
                }
                // 进行扩容,修改sizeCtl值
                else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                    transfer(tab, null);
                s = sumCount();
            }
        }
    }

这个方法主要是两个功能:
一是修改容器元素数量值,也就是cas修改baseCount,但是这里需要注意的是,如果没有cas成功,则表示多线程竞争添加,就会分段cas,这里就不细说了;
二是判断是否需要扩容,也就是调用transfer扩容;若正在扩容,则加速扩容;

总结起来就是:cas,分段cas;扩容,加速扩容

扩容

ConcurrentHashMap的扩容是新建一个新的数组,容量是原来数组的两倍,然后再将原数组中元素添加到新建的数组中;


    private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
        int n = tab.length, stride;
        if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
            stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
        // 新建一个数组,大小为原来的两倍 体现在 n << 1
        if (nextTab == null) {            // initiating
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
                nextTab = nt;
            } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
                sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
                return;
            }
            nextTable = nextTab;
            transferIndex = n;
        }
        int nextn = nextTab.length;
        // 注意点1,ForwardingNode 继承了Node,ForwardingNode默认hash为MOVED
        ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
        boolean advance = true;
        boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
        // 循环 遍历原数组,将元素放进新数组
        for (int i = 0, bound = 0;;) {
            Node<K,V> f; int fh;
            while (advance) {
                int nextIndex, nextBound;
                if (--i >= bound || finishing)
                    advance = false;
                else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                    i = -1;
                    advance = false;
                }
                else if (U.compareAndSwapInt
                         (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                          nextBound = (nextIndex > stride ?
                                       nextIndex - stride : 0))) {
                    bound = nextBound;
                    i = nextIndex - 1;
                    advance = false;
                }
            }
            // 判断原数组中元素是否全部移动完成
            if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
                int sc;
                // 移动完成后
                if (finishing) {
                    nextTable = null;
                    // table指向新数组
                    table = nextTab;
                    // 修改sizeCtl值,为扩容后的3/4
                    sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                    return;
                }
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                    if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                        return;
                    finishing = advance = true;
                    i = n; // recheck before commit
                }
            }
            else if ((f = tabAt(tab, i)) == null) // 判断原数组对应i的位置是否有元素
                // 没有元素,就将fwd放进原数组i对应的位置,这里就代表原数组对应i位置已经移动过
                advance = casTabAt(tab, i, null, fwd); 
            else if ((fh = f.hash) == MOVED) // 判断原数组对应i的位置是否已经被移动过
                advance = true; // already processed
            else {
                // 锁定(这段代码块具体就是将原数组对应位置的元素放进新的数组中,主要关注setTabAt方法)
                synchronized (f) {
                    // 原数组一个位置的元素会转移至新数组中的两个位置中,
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        Node<K,V> ln, hn;
                        if (fh >= 0) { // 链表转移至新数组
                            int runBit = fh & n;
                            Node<K,V> lastRun = f;
                            for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                                int b = p.hash & n;
                                if (b != runBit) {
                                    runBit = b;
                                    lastRun = p;
                                }
                            }
                            if (runBit == 0) {
                                ln = lastRun;
                                hn = null;
                            }
                            else {
                                hn = lastRun;
                                ln = null;
                            }
                            for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                                int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                                if ((ph & n) == 0)
                                    ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                                else
                                    hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                            }
                            
                            setTabAt(nextTab, i, ln); // 新数组设置头结点
                            setTabAt(nextTab, i + n, hn); // 新数组设置头结点
                            setTabAt(tab, i, fwd); // 原数组设置移动标识
                            advance = true;
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) { // 红黑树转移至新数组
                            TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                            TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                            TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                            int lc = 0, hc = 0;
                            for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                                int h = e.hash;
                                TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                    (h, e.key, e.val, null, null);
                                if ((h & n) == 0) {
                                    if ((p.prev = loTail) == null)
                                        lo = p;
                                    else
                                        loTail.next = p;
                                    loTail = p;
                                    ++lc;
                                }
                                else {
                                    if ((p.prev = hiTail) == null)
                                        hi = p;
                                    else
                                        hiTail.next = p;
                                    hiTail = p;
                                    ++hc;
                                }
                            }
                            ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                                (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                            hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                                (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                            setTabAt(nextTab, i, ln); // 新数组设置头结点
                            setTabAt(nextTab, i + n, hn); // 新数组设置头结点
                            setTabAt(tab, i, fwd); // 原数组设置移动标识
                            advance = true;
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

扩容的代码有点多,就不详细描述了:

  1. 扩容是新建一个新的数组,将原数组元素放进新数组中,流程大概和HashMap的扩容差不多;
  2. 使用casForwardingNode放入原数组对应的节点中,标志已经移动;具体看fwd元素的使用地方;
  3. 关于synchronized代码块,具体可以先看HashMap的扩容,两者是差不多的,这里就不细说了;

扩展

这个方法还有一点就是while代码块,这个地方就是实现加速扩容的地方;下面具体说:

            while (advance) {
                int nextIndex, nextBound;
                // 判断该阶段是否完成
                if (--i >= bound || finishing)
                    advance = false;
                else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                    i = -1;
                    advance = false;
                }
                // 计算下一阶段
                else if (U.compareAndSwapInt(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,nextBound = (nextIndex > stride ? nextIndex - stride : 0))) {
                    bound = nextBound;
                    i = nextIndex - 1;
                    advance = false;
                }
            }

这个地方主要是进行i值计算,也就是数组(桶)的下标;
通过(transferIndex-stride)来将原数组分段;多线程的情况下通过cas来保证线程安全;

涉及参数:
transferIndex:转移元素的索引;就是看转移数据转移到什么位置了;
stride:每次转移的数量,这个值是根据CPU来计算的,最小值是16;

也就是当数组长度大于16时,才会分段加速;

获取方法

    public V get(Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
        // 计算hash
        int h = spread(key.hashCode());
        // 判断是否初始化且hash对应桶中有数据
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
            // 判断是否为第一个
            if ((eh = e.hash) == h) {
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                    return e.val;
            }   
            else if (eh < 0) // 判断是否已经扩容
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            while ((e = e.next) != null) { 直接获取
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }

获取方法其实不难,注意点就是判断是否扩容那一步,这个find方法是在ForwardingNode类中;而不是Node类中的;

其他方法

remove方法

    // 通过key删除
    public V remove(Object key) {
        return replaceNode(key, null, null);
    }
    // 通过key和value删除
    public boolean remove(Object key, Object value) {
        if (key == null)
            throw new NullPointerException();
        return value != null && replaceNode(key, null, value) != null;
    }

上面两个方法都调用了replaceNode方法;

    final V replaceNode(Object key, V value, Object cv) {
        // 计算hash
        int hash = spread(key.hashCode());
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) { // 循环
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            // 判断是否初始化,和key对应桶是否为空
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
                (f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null)
                break;
            // 判断是否扩容
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                boolean validated = false;
                synchronized (f) { // 锁住
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) { // 链表遍历
                            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)))) {
                                    V ev = e.val;
                                    if (cv == null || cv == ev ||
                                        (ev != null && cv.equals(ev))) {
                                        oldVal = ev;
                                        if (value != null)
                                            e.val = value;
                                        else if (pred != null)
                                            pred.next = e.next;
                                        else
                                            setTabAt(tab, i, e.next);
                                    }
                                    break;
                                }
                                pred = e;
                                if ((e = e.next) == null)
                                    break;
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) { // 红黑树
                            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) {
                    // 判断key是否存在
                    if (oldVal != null) {
                        if (value == null)// 判断是否修改容量值
                            addCount(-1L, -1);
                        return oldVal;
                    }
                    break;
                }
            }
        }
        return null;
    }

sumCount方法

这个方法是对容器中的元素进行计算;

这里主要是想说明分段cas添加的数据是保存在counterCells中的;这个情况主要发生在多线程添加冲突的情况下

    final long sumCount() {
        // 获取counterCells值
        CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
        // baseCount(未竞争的情况下是在baseCount中的)
        long sum = baseCount;
        if (as != null) { 
            for (int i = 0; i < as.length; ++i) { // 遍历counterCells
                if ((a = as[i]) != null)
                    sum += a.value; // 累加
            }
        }
        return sum;
    }

最后

参考

  1. Java魔法类:Unsafe应用解析
  2. Java进阶(六)从ConcurrentHashMap的演进看Java多线程核心技术
  3. 并发编程——ConcurrentHashMap#helpTransfer() 分析
  4. ConcurrentHashMap 源码阅读小结
posted @ 2021-05-12 19:32  guoyuchuan  阅读(55)  评论(0编辑  收藏  举报