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ConcurrentHashMap 存储结构源码解析

来源:互联网 收集:自由互联 发布时间:2023-01-30
目录 引言 1 ConcurrentHashMap 1.7 1.存储结构 2. 初始化 3. put 4. 扩容 rehash 5. get 2 ConcurrentHashMap 1.8 1. 存储结构 2. 初始化 initTable 3. put 4. get 3 总结 引言 思考:HashTable是线程安全的,为什么不推
目录
  • 引言
  • 1 ConcurrentHashMap 1.7
    • 1.存储结构
    • 2. 初始化
    • 3. put
    • 4. 扩容 rehash
    • 5. get
  • 2 ConcurrentHashMap 1.8
    • 1. 存储结构
    • 2. 初始化 initTable
    • 3. put
    • 4. get
  • 3 总结

    引言

    思考:HashTable是线程安全的,为什么不推荐使用?

    HashTable是一个线程安全的类,它使用synchronized来锁住整张Hash表来实现线程安全,即每次锁住整张表让线程独占,相当于所有线程进行读写时都去竞争一把锁,导致效率非常低下。

    1 ConcurrentHashMap 1.7

    在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了数组+分段锁的方式实现

    Segment(分段锁)-减少锁的粒度

    ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment,它即类似于HashMap的结构,即内部拥有一个Entry数组,数组中的每个元素又是一个链表,同时又是一个ReentrantLock(Segment继承了ReentrantLock)。

    1.存储结构

    Java 7 版本 ConcurrentHashMap 的存储结构如图:

    ConcurrnetHashMap 由很多个 Segment 组合,而每一个 Segment 是一个类似于 HashMap 的结构,所以每一个 HashMap 的内部可以进行扩容。但是 Segment 的个数一旦初始化就不能改变,默认 Segment 的个数是 16 个,所以可以认为 ConcurrentHashMap 默认支持最多 16 个线程并发。

    2. 初始化

    通过 ConcurrentHashMap 的无参构造探寻 ConcurrentHashMap 的初始化流程。

        /**
         * Creates a new, empty map with a default initial capacity (16),
         * load factor (0.75) and concurrencyLevel (16).
         */
        public ConcurrentHashMap() {
            this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
        }
    

    无参构造中调用了有参构造,传入了三个参数的默认值,他们的值是。

        /**
         * 默认初始化容量,这个容量指的是Segment 的大小
         */
        static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    /**
     * 默认负载因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
    /**
     * 默认并发级别,并发级别指的是Segment桶的个数,默认是16个并发大小
     */
    static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
    Segment下面entryset数组的大小是用DEFAULT_INITIAL_CAPACITY/DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL求出来的。
    

    Segment下面entryset数组的大小是用DEFAULT_INITIAL_CAPACITY/DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL求出来的。

    接着看下这个有参构造函数的内部实现逻辑。

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
        // 参数校验
        if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        // 校验并发级别大小,大于 1<<16,重置为 65536
        if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
            concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
        // Find power-of-two sizes best matching arguments
        // 2的多少次方
        int sshift = 0;//控制segment数组的大小
        int ssize = 1;
        // 这个循环可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值
        while (ssize < concurrencyLevel) {
            ++sshift;//代表ssize左移的次数
            ssize <<= 1;
        }
        // 记录段偏移量
        this.segmentShift = 32 - sshift;
        // 记录段掩码
        this.segmentMask = ssize - 1;
        // 设置容量   判断初始容量是否超过允许的最大容量
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        // c = 容量 / ssize ,默认 16 / 16 = 1,这里是计算每个 Segment 中的类似于 HashMap 的容量
       //求entrySet数组的大小,这个地方需要保证entrySet数组的大小至少可以存储下initialCapacity的容量,假设initialCapacity为33,ssize为16,那么c=2,所以if语句是true,那么c=3,MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY初始值是2,所以if语句成立,那么cap=4,所以每一个segment的容量初始为4,segment为16,16*4>33成立,entrySet数组的大小也需要是2的幂次方
        int c = initialCapacity / ssize;
        if (c * ssize < initialCapacity)
            ++c;
        int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
        //Segment 中的类似于 HashMap 的容量至少是2或者2的倍数
        while (cap < c)
            cap <<= 1;
        // create segments and segments[0]
        // 创建 Segment 数组,设置 segments[0]
        Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                             (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
        Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
        UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
        this.segments = ss;
    }
    

    总结一下在 Java 7 中 ConcurrnetHashMap 的初始化逻辑。

    • 必要参数校验。
    • 校验并发级别 concurrencyLevel 大小,如果大于最大值,重置为最大值。无参构造默认值是 16.
    • 寻找并发级别 concurrencyLevel 之上最近的 2 的幂次方值,作为初始化容量大小,默认是 16
    • 记录 segmentShift 偏移量,这个值为【容量 = 2 的N次方】中的 N,在后面 Put 时计算位置时会用到。默认是 32 - sshift = 28.
    • 记录 segmentMask,默认是 ssize - 1 = 16 -1 = 15.
    • 初始化 segments[0]默认大小为 2负载因子 0.75扩容阀值是 2*0.75=1.5,插入第二个值时才会进行扩容。

    计算segment数组容量的大小。

    计算entrySet数组的大小。

    初始化segment数组,其中生成一个s0对象放在数组的第0个位置

    为什么首先需要一个s0存储到数组的第一个位置?

    因为初始化数组完成后数组元素都还是null值,以后每一次添加一个元素的话,需要封装为entrySet对象,还需要对entrySet数组的大小重新计算,如果把第一次的计算结果全部存储到S0中,那么以后的话只需要直接拿来使用即可,不需要重新计算。虽然Segment对象不同,但是对象中属性内容其实是一样的。

    Segment数组的长度第一次已经确定,以后不会在改变,扩容是局部扩容,只对setrySet数组的容量进行扩容。

    3. put

    接着上面的初始化参数继续查看 put 方法源码。

    /**
     * Maps the specified key to the specified value in this table.
     * Neither the key nor the value can be null.
     *
     * <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method
     * with a key that is equal to the original key.
     *
     * @param key key with which the specified value is to be associated
     * @param value value to be associated with the specified key
     * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
     *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>
     * @throws NullPointerException if the specified key or value is null
     */
    public V put(K key, V value) {
        Segment<K,V> s;
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        int hash = hash(key);
        // hash 值无符号右移 28位(初始化时获得),然后与 segmentMask=15 做与运算
        // 其实也就是把高4位与segmentMask(1111)做与运算
    // this.segmentMask = ssize - 1;
    //对hash值进行右移segmentShift位,计算元素对应segment中数组下表的位置
    //把hash右移segmentShift,相当于只要hash值的高32-segmentShift位,右移的目的是保留了hash值的高位。然后和segmentMask与操作计算元素在segment数组中的下表
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
    //使用unsafe对象获取数组中第j个位置的值,后面加上的是偏移量
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
    (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
    // 如果查找到的 Segment 为空,初始化
    s = ensureSegment(j);
    //插入segment对象
    return s.put(key, hash, value, false);
    }
    /**
    Returns the segment for the given index, creating it and
    recording in segment table (via CAS) if not already present.
    @param k the index
    @return the segment
    */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
    final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
    long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
    Segment<K,V> seg;
    // 判断 u 位置的 Segment 是否为null
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
    Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
    // 获取0号 segment 里的 HashEntry<K,V> 初始化长度
    int cap = proto.table.length;
    // 获取0号 segment 里的 hash 表里的扩容负载因子,所有的 segment 的 loadFactor 是相同的
    float lf = proto.loadFactor;
    // 计算扩容阀值
    int threshold = (int)(cap * lf);
    // 创建一个 cap 容量的 HashEntry 数组
    HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck
    // 再次检查 u 位置的 Segment 是否为null,因为这时可能有其他线程进行了操作
    Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
    // 自旋检查 u 位置的 Segment 是否为null
    while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
    == null) {
    // 使用CAS 赋值,只会成功一次
    if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
    break;
    }
    }
    }
    return seg;
    }
    
    /*Returns the segment for the given index, creating it and
    recording in segment table (via CAS) if not already present.
    
    @param k the index
    @return the segment
    */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
    final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
    long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
    Segment<K,V> seg;
    // 判断 u 位置的 Segment 是否为null
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
    Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
    // 获取0号 segment 里的 HashEntry<K,V> 初始化长度
    int cap = proto.table.length;
    // 获取0号 segment 里的 hash 表里的扩容负载因子,所有的 segment 的 loadFactor 是相同的
    float lf = proto.loadFactor;
    // 计算扩容阀值
    int threshold = (int)(cap * lf);
    // 创建一个 cap 容量的 HashEntry 数组
    HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck
    // 再次检查 u 位置的 Segment 是否为null,因为这时可能有其他线程进行了操作
    Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
    // 自旋检查 u 位置的 Segment 是否为null
    while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
    == null) {
    // 使用CAS 赋值,只会成功一次
    if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
    break;
    }
    }
    }
    return seg;
    }

    上面的源码分析了 ConcurrentHashMap 在 put 一个数据时的处理流程,下面梳理下具体流程。

    计算要 put 的 key 的位置,获取指定位置的 Segment。

    • 如果指定位置的 Segment 为空,则初始化这个 Segment.
    • 初始化 Segment 流程:
    • 检查计算得到的位置的 Segment 是否为null.
    • 为 null 继续初始化,使用 Segment[0] 的容量和负载因子创建一个 HashEntry 数组。
    • 再次检查计算得到的指定位置的 Segment 是否为null.
    • 使用创建的 HashEntry 数组初始化这个 Segment.
    • 自旋判断计算得到的指定位置的 Segment 是否为null,使用 CAS 在这个位置赋值为 Segment.

    Segment.put 插入 key,value 值。

    上面探究了获取 Segment 段和初始化 Segment 段的操作。最后一行的 Segment 的 put 方法还没有查看,继续分析。

    final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        // 获取 ReentrantLock 独占锁,获取不到,scanAndLockForPut 获取。
        HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
        V oldValue;
        try {
            HashEntry<K,V>[] tab = table;
            // 计算要put的数据位置
            int index = (tab.length - 1) & hash;
            // CAS 获取 index 坐标的值
            HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
            for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
                if (e != null) {
                    // 检查是否 key 已经存在,如果存在,则遍历链表寻找位置,找到后替换 value
                    K k;
                    if ((k = e.key) == key ||
                        (e.hash == hash && key.equals(k))) {
                        oldValue = e.value;
                        if (!onlyIfAbsent) {
                            e.value = value;
                            ++modCount;
                        }
                        break;
                    }
                    e = e.next;
                }
                else {
                    // first 有值没说明 index 位置已经有值了,有冲突,链表头插法。
                    if (node != null)
                        node.setNext(first);
                    else
                        node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
                    int c = count + 1;
                    // 容量大于扩容阀值,小于最大容量,进行扩容
                    if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                        rehash(node);
                    else
                        // index 位置赋值 node,node 可能是一个元素,也可能是一个链表的表头
                        setEntryAt(tab, index, node);
                    ++modCount;
                    count = c;
                    oldValue = null;
                    break;
                }
            }
        } finally {
            unlock();
        }
        return oldValue;
    }
    

    由于 Segment 继承了 ReentrantLock,所以 Segment 内部可以很方便的获取锁,put 流程就用到了这个功能。

    • tryLock() 获取锁,获取不到使用 scanAndLockForPut 方法继续获取。
    • 计算 put 的数据要放入的 index 位置,然后获取这个位置上的 HashEntry 。
    • 遍历 put 新元素,为什么要遍历?因为这里获取的 HashEntry 可能是一个空元素,也可能是链表已存在,所以要区别对待。

    如果这个位置上的 HashEntry 不存在

    如果当前容量大于扩容阀值,小于最大容量,进行扩容

    直接头插法插入。

    如果这个位置上的 HashEntry 存在

    判断链表当前元素 Key 和 hash 值是否和要 put 的 key 和 hash 值一致。一致则替换值

    不一致,获取链表下一个节点,直到发现相同进行值替换,或者链表表里完毕没有相同的。

    如果当前容量大于扩容阀值,小于最大容量,进行扩容

    直接链表头插法插入。

    • 如果要插入的位置之前已经存在,替换后返回旧值,否则返回 null.

    这里面的第一步中的 scanAndLockForPut 操作这里没有介绍,这个方法做的操作就是不断的自旋 tryLock() 获取锁。当自旋次数大于指定次数时,使用 lock() 阻塞获取锁。在自旋时顺表获取下 hash 位置的 HashEntry。

    private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
        HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
        HashEntry<K,V> e = first;
        HashEntry<K,V> node = null;
        int retries = -1; // negative while locating node
        // 自旋获取锁
        while (!tryLock()) {
            HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
            if (retries < 0) {
                if (e == null) {
                    if (node == null) // speculatively create node
                        node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
                    retries = 0;
                }
                else if (key.equals(e.key))
                    retries = 0;
                else
                    e = e.next;
            }
            else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
                // 自旋达到指定次数后,阻塞等到只到获取到锁
                lock();
                break;
            }
            else if ((retries & 1) == 0 &&
                     (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
                e = first = f; // re-traverse if entry changed
                retries = -1;
            }
        }
        return node;
    }
    

    4. 扩容 rehash

    ConcurrentHashMap 的扩容只会扩容到原来的两倍。老数组里的数据移动到新的数组时,位置要么不变,要么变为 index+ oldSize,参数里的 node 会在扩容之后使用链表头插法插入到指定位置。

    private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
        HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
        // 老容量
        int oldCapacity = oldTable.length;
        // 新容量,扩大两倍
        int newCapacity = oldCapacity << 1;
        // 新的扩容阀值 
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
        // 创建新的数组
        HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
        // 新的掩码,默认2扩容后是4,-1是3,二进制就是11。
        int sizeMask = newCapacity - 1;
        for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
            // 遍历老数组
            HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
            if (e != null) {
                HashEntry<K,V> next = e.next;
                // 计算新的位置,新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
                int idx = e.hash & sizeMask;
                if (next == null)   //  Single node on list
                    // 如果当前位置还不是链表,只是一个元素,直接赋值
                    newTable[idx] = e;
                else { // Reuse consecutive sequence at same slot
                    // 如果是链表了
                    HashEntry<K,V> lastRun = e;
                    int lastIdx = idx;
                    // 新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
                    // 遍历结束后,lastRun 后面的元素位置都是相同的
                    for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) {
                        int k = last.hash & sizeMask;
                        if (k != lastIdx) {
                            lastIdx = k;
                            lastRun = last;
                        }
                    }
                    // ,lastRun 后面的元素位置都是相同的,直接作为链表赋值到新位置。
                    newTable[lastIdx] = lastRun;
                    // Clone remaining nodes
                    for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
                        // 遍历剩余元素,头插法到指定 k 位置。
                        V v = p.value;
                        int h = p.hash;
                        int k = h & sizeMask;
                        HashEntry<K,V> n = newTable[k];
                        newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
                    }
                }
            }
        }
        // 头插法插入新的节点
        int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
        node.setNext(newTable[nodeIndex]);
        newTable[nodeIndex] = node;
        table = newTable;
    }
    

    有些同学可能会对最后的两个 for 循环有疑惑,这里第一个 for 是为了寻找这样一个节点,这个节点后面的所有 next 节点的新位置都是相同的。然后把这个作为一个链表赋值到新位置。第二个 for 循环是为了把剩余的元素通过头插法插入到指定位置链表。这样实现的原因可能是基于概率统计,有深入研究的同学可以发表下意见。

    5. get

    到这里就很简单了,get 方法只需要两步即可。

    • 计算得到 key 的存放位置。
    • 遍历指定位置查找相同 key 的 value 值。
    public V get(Object key) {
        Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
        HashEntry<K,V>[] tab;
        int h = hash(key);
        long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
        // 计算得到 key 的存放位置
        if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
            (tab = s.table) != null) {
            for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
                     (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
                 e != null; e = e.next) {
                // 如果是链表,遍历查找到相同 key 的 value。
                K k;
                if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
                    return e.value;
            }
        }
        return null;
    }
    

    2 ConcurrentHashMap 1.8

    1. 存储结构

    可以发现 Java8 的 ConcurrentHashMap 相对于 Java7 来说变化比较大,不再是之前的 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表,而是 Node 数组 + 链表 / 红黑树。当冲突链表达到一定长度时,链表会转换成红黑树。

    补充:CAS

    CAS(Compare-and-Swap/Exchange),即比较并替换,是一种实现并发常用到的技术。

    CAS核心算法:执行函数:CAS(V,E,N)

    V表示准备要被更新的变量 (内存的值)      

    E表示我们提供的 期望的值 (期望的原值)

    N表示新值 ,准备更新V的值 (新值)

    算法思路:V是共享变量,我们拿着自己准备的这个E,去跟V去比较,如果E == V ,说明当前没有其它线程在操作,所以,我们把N 这个值 写入对象的 V 变量中。如果 E != V ,说明我们准备的这个E,已经过时了,所以我们要重新准备一个最新的E ,去跟V 比较,比较成功后才能更新 V的值为N。

    如果多个线程同时使用CAS操作一个变量的时候,只有一个线程能够修改成功。其余的线程提供的期望值已经与共享变量的值不一样了,所以均会失败。

       由于CAS操作属于乐观派,它总是认为自己能够操作成功,所以操作失败的线程将会再次发起操作,而不是被OS挂起。所以说,即使CAS操作没有使用同步锁,其它线程也能够知道对共享变量的影响。

    因为其它线程没有被挂起,并且将会再次发起修改尝试,所以无锁操作即CAS操作天生免疫死锁。

    另外一点需要知道的是,CAS是系统原语,CAS操作是一条CPU的原子指令,所以不会有线程安全问题。

    ABA问题:E和E2对比相同是不能保证百分百保证,其他线程没有在自己线程执行计算的过程里抢锁成功过。有可能其他线程操作后新E值和旧E值一样!

    ABA问题解决:在E对象里加个操作次数变量就行,每次判断时对比两个,E和操作次数就OK了,因为ABA问题中就算E相同操作次数也绝不相同

    2. 初始化 initTable

    /**
     * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
     */
    private final Node<K,V>[] initTable() {
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            //如果 sizeCtl < 0 ,说明另外的线程执行CAS 成功,正在进行初始化。
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                // 让出 CPU 使用权
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                        int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                        table = tab = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;
            }
        }
        return tab;
    }
    

    从源码中可以发现 ConcurrentHashMap 的初始化是通过自旋和 CAS 操作完成的。里面需要注意的是变量 sizeCtl ,它的值决定着当前的初始化状态。

    • -1 说明正在初始化
    • -N 说明有N-1个线程正在进行扩容
    • 表示 table 初始化大小,如果 table 没有初始化
    • 表示 table 容量,如果 table 已经初始化。

    3. put

    直接过一遍 put 源码。

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(key, value, false);
    }
    /** Implementation for put and putIfAbsent */
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // key 和 value 不能为空
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
    // f = 目标位置元素
    Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 后面存放目标位置的元素 hash 值
    if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
    // 数组桶为空,初始化数组桶(自旋+CAS)
    tab = initTable();
    else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
    // 桶内为空,CAS 放入,不加锁,成功了就直接 break 跳出
    if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
    break;  // no lock when adding to empty bin
    }
    else if ((fh = f.hash) == MOVED)
    tab = helpTransfer(tab, f);
    else {
    V oldVal = null;
    // 使用 synchronized 加锁加入节点
    synchronized (f) {
    if (tabAt(tab, i) == f) {
    // 说明是链表
    if (fh >= 0) {
    binCount = 1;
    // 循环加入新的或者覆盖节点
    for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
    K ek;
    if (e.hash == hash &&
    ((ek = e.key) == key ||
    (ek != null && key.equals(ek)))) {
    oldVal = e.val;
    if (!onlyIfAbsent)
    e.val = value;
    break;
    }
    Node<K,V> pred = e;
    if ((e = e.next) == null) {
    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
    value, null);
    break;
    }
    }
    }
    else if (f instanceof TreeBin) {
    // 红黑树
    Node<K,V> p;
    binCount = 2;
    if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
    value)) != null) {
    oldVal = p.val;
    if (!onlyIfAbsent)
    p.val = value;
    }
    }
    }
    }
    if (binCount != 0) {
    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
    treeifyBin(tab, i);
    if (oldVal != null)
    return oldVal;
    break;
    }
    }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
    }
    
    /** Implementation for put and putIfAbsent */
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // key 和 value 不能为空
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
    // f = 目标位置元素
    Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 后面存放目标位置的元素 hash 值
    if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
    // 数组桶为空,初始化数组桶(自旋+CAS)
    tab = initTable();
    else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
    // 桶内为空,CAS 放入,不加锁,成功了就直接 break 跳出
    if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
    break;  // no lock when adding to empty bin
    }
    else if ((fh = f.hash) == MOVED)
    tab = helpTransfer(tab, f);
    else {
    V oldVal = null;
    // 使用 synchronized 加锁加入节点
    synchronized (f) {
    if (tabAt(tab, i) == f) {
    // 说明是链表
    if (fh >= 0) {
    binCount = 1;
    // 循环加入新的或者覆盖节点
    for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
    K ek;
    if (e.hash == hash &&
    ((ek = e.key) == key ||
    (ek != null && key.equals(ek)))) {
    oldVal = e.val;
    if (!onlyIfAbsent)
    e.val = value;
    break;
    }
    Node<K,V> pred = e;
    if ((e = e.next) == null) {
    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
    value, null);
    break;
    }
    }
    }
    else if (f instanceof TreeBin) {
    // 红黑树
    Node<K,V> p;
    binCount = 2;
    if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
    value)) != null) {
    oldVal = p.val;
    if (!onlyIfAbsent)
    p.val = value;
    }
    }
    }
    }
    if (binCount != 0) {
    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
    treeifyBin(tab, i);
    if (oldVal != null)
    return oldVal;
    break;
    }
    }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
    }
    • 根据 key 计算出 hashcode 。
    • 判断是否需要进行初始化。
    • 即为当前 key 定位出的 Node,如果为空表示当前位置可以写入数据,利用 CAS 尝试写入,失败则自旋保证成功。
    • 如果当前位置的 hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。
    • 如果都不满足,则利用 synchronized 锁写入数据。
    • 如果数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树。

    4. get

    get 流程比较简单,直接过一遍源码。

    public V get(Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
        // key 所在的 hash 位置
        int h = spread(key.hashCode());
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
            // 如果指定位置元素存在,头结点hash值相同
            if ((eh = e.hash) == h) {
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                    // key hash 值相等,key值相同,直接返回元素 value
                    return e.val;
            }
            else if (eh < 0)
                // 头结点hash值小于0,说明正在扩容或者是红黑树,find查找
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            while ((e = e.next) != null) {
                // 是链表,遍历查找
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }
    

    总结一下 get 过程:

    • 根据 hash 值计算位置。
    • 查找到指定位置,如果头节点就是要找的,直接返回它的 value.
    • 如果头节点 hash 值小于 0 ,说明正在扩容或者是红黑树,查找之。
    • 如果是链表,遍历查找之。

    3 总结

    Java7 中 ConcurrentHashMap 使用的分段锁,也就是每一个 Segment 上同时只有一个线程可以操作,每一个 Segment 都是一个类似 HashMap 数组的结构,它可以扩容,它的冲突会转化为链表。但是 Segment 的个数一但初始化就不能改变。

    Java8 中的 ConcurrentHashMap 使用的 Synchronized 锁加 CAS 的机制。结构也由 Java7 中的 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表 进化成了 Node 数组 + 链表 / 红黑树,Node 是类似于一个 HashEntry 的结构。它的冲突再达到一定大小时会转化成红黑树,在冲突小于一定数量时又退回链表。

    以上就是ConcurrentHashMap 存储结构源码解析的详细内容,更多关于ConcurrentHashMap 存储结构的资料请关注自由互联其它相关文章!

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