ConcurrentHashMap之实现细节

ConcurrentHashMap是Java 5中支持高并发、高吞吐量的线程安全HashMap实现。在这之前我对ConcurrentHashMap只有一些肤浅的理解，仅知道它采用了多个锁，大 概也足够了。但是在经过一次惨痛的面试经历之后，我觉得必须深入研究它的实现。面试中被问到读是否要加锁，因为读写会发生冲突，我说必须要加锁，我和面试 官也因此发生了冲突，结果可想而知。还是闲话少说，通过仔细阅读源代码，现在总算理解ConcurrentHashMap实现机制了，其实现之精巧，令人 叹服，与大家共享之。

实现原理

ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术。它使用了多个锁来控制对hash表的不同部分进行的修 改。ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的hash table，它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。

有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作 完毕后，又按顺序释放所有段的锁。这里“按顺序”是很重要的，否则极有可能出现死锁，在ConcurrentHashMap内部，段数组是final的， 并且其成员变量实际上也是final的，但是，仅仅是将数组声明为final的并不保证数组成员也是final的，这需要实现上的保证。这可以确保不会出 现死锁，因为获得锁的顺序是固定的。不变性是多线程编程占有很重要的地位，下面还要谈到。

Java代码

1. /**
2. * The segments, each of which is a specialized hash table
3. */  
4. final Segment<K,V>[] segments;  

/** * The segments, each of which is a specialized hash table */ final Segment<K,V>[] segments;

不变(Immutable)和易变(Volatile)

ConcurrentHashMap完全允许多个读操作并发进行，读操作并不需要加锁。如果使用传统的技术，如HashMap中的实现，如果允许可 以在hash链的中间添加或删除元素，读操作不加锁将得到不一致的数据。ConcurrentHashMap实现技术是保证HashEntry几乎是不可 变的。HashEntry代表每个hash链中的一个节点，其结构如下所示：

Java代码

1. static final class HashEntry<K,V> {  
2.     final K key;  
3.     final int hash;  
4.     volatile V value;  
5.     final HashEntry<K,V> next;  
6. }  

static final class HashEntry<K,V> { final K key; final int hash; volatile V value; final HashEntry<K,V> next; }

可以看到除了value不是final的，其它值都是final的，这意味着不能从hash链的中间或尾部添加或删除节点，因为这需要修改next 引用值，所有的节点的修改只能从头部开始。对于put操作，可以一律添加到Hash链的头部。但是对于remove操作，可能需要从中间删除一个节点，这 就需要将要删除节点的前面所有节点整个复制一遍，最后一个节点指向要删除结点的下一个结点。这在讲解删除操作时还会详述。为了确保读操作能够看到最新的 值，将value设置成volatile，这避免了加锁。

其它

为了加快定位段以及段中hash槽的速度，每个段hash槽的的个数都是2^n，这使得通过位运算就可以定位段和段中hash槽的位置。当并发级别 为默认值16时，也就是段的个数，hash值的高4位决定分配在哪个段中。但是我们也不要忘记《算法导论》给我们的教训：hash槽的的个数不应该是 2^n，这可能导致hash槽分配不均，这需要对hash值重新再hash一次。（这段似乎有点多余了 ）

这是重新hash的算法，还比较复杂，我也懒得去理解了。

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1. private static int hash(int h) {  
2.     // Spread bits to regularize both segment and index locations,  
3.     // using variant of single-word Wang/Jenkins hash.  
4.      h += (h <<  15) ^ 0xffffcd7d;  
5.      h ^= (h >>> 10);  
6.      h += (h <<   3);  
7.      h ^= (h >>>  6);  
8.      h += (h <<   2) + (h << 14);  
9.     return h ^ (h >>> 16);  
10. }  

private static int hash(int h) { // Spread bits to regularize both segment and index locations, // using variant of single-word Wang/Jenkins hash. h += (h << 15) ^ 0xffffcd7d; h ^= (h >>> 10); h += (h << 3); h ^= (h >>> 6); h += (h << 2) + (h << 14); return h ^ (h >>> 16); }

这是定位段的方法：

Java代码

1. final Segment<K,V> segmentFor(int hash) {  
2.     return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];  
3. }  

final Segment<K,V> segmentFor(int hash) { return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask]; }