ConcurrentHashMap源码分析

　　看过hashMap源码之后一直意犹未尽的感觉，挡不住我看其他的源码了。HashMap在单线程中非常好用，也不会出现什么问题，但是一到多线程就gg了，变的不灵了。我们有HashTable可以运用在多线程程序中,但是HashTable效率太低下了，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A使用put进行添加元素，线程B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。那有没有什么类在这方面表现比较好的呢，这就是我们这次要说的ConcurrentHashMap了。ConcurrentHashMap是在jdk1.5开始有的，看了一下ConcurrentHashMap的源码，觉的很有意思，于是有了这篇文章。HashMap使用的是数组+链表的存储结构构，ConcurrentHashMap使用的是数组+数组的结构（锁分段）。

什么是锁分段技术？

　　容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，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，这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术，首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，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。

ConcurrentHashMap的类图

　　由类图可以看出ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment继承了ReentrantLock，是一种可重入锁ReentrantLock（可重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是可重入锁），在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色，HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组，Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构， 一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素， 每个Segment守护着一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得它对应的Segment锁。

ConcurrentHashMap的结构

ConcurrentHashMap初始化

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
        if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)//如果参数为负数，直接抛出异常
            throw new IllegalArgumentException();
        if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)//segments数组大小不能超过最大值MAX_SEGMENTS=65536=1<<16
            concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
        // Find power-of-two sizes best matching arguments
        int sshift = 0;
        int ssize = 1;
        while (ssize < concurrencyLevel) {//计算segments的长度，必须为2的N次方（power-0f-two）
            ++sshift;//大于或等于concurrencyLevel的最小的2的N次方值来作为segments数组的长度
            ssize <<= 1;//注意concurrencyLevel的最大大小是65535，意味着segments数组的长度最大为65536，对应的二进制是16位。
        }
        this.segmentShift = 32 - sshift;①
        this.segmentMask = ssize - 1;
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)②
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        int c = initialCapacity / ssize;
        if (c * ssize < initialCapacity)
            ++c;
        int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
        while (cap < c)
            cap <<= 1;
        // create segments and 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;③
    }

①-②的代码是初始化segmentShift和segmentMask:这两个全局变量在定位segment时的哈希算法里需要使用，sshift等于ssize从1向左移位的次数，在默认情况下concurrencyLevel等于16，1需要向左移位移动4次，所以sshift等于4。segmentShift用于定位参与hash运算的位数，segmentShift等于32减sshift，所以等于28，这里之所以用32是因为ConcurrentHashMap里的hash()方法输出的最大数是32位的，后面的测试中我们可以看到这点。segmentMask是哈希运算的掩码，等于ssize减1，即15，掩码的二进制各个位的值都是1。因为ssize的最大长度是65536，所以segmentShift最大值是16，segmentMask最大值是65535，对应的二进制是16位，每个位都是1。

②-③的代码是初始化Segment:输入参数initialCapacity是ConcurrentHashMap的初始化容量，loadfactor是每个segment的负载因子，在构造方法里需要通过这两个参数来初始化数组中的每个segment。代码中的变量cap就是segment里HashEntry数组的长度，它等于initialCapacity除以ssize的倍数c，如果c大于1，就会取大于等于c的2的N次方值，所以cap不是1，就是2的N次方。segment的容量threshold＝(int)cap*loadFactor，默认情况下initialCapacity等于16，loadfactor等于0.75，通过运算cap等于1，threshold等于零。

ConcurrentHashMap的get方法和Segment的定位

　　ConcurrentHashMap跟hashMap的作用是一样的，在使用的过程中，包括插入元素和获取元素肯定也需要定位到分段锁Segment。那它是怎么定位的呢？我们通过分析get方法的过程中顺便把Segment的定位给分析完。

public V get(Object key) {
        Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead  先定义一个Segment
        HashEntry<K,V>[] tab;//定义一个HashEntry
        int h = hash(key);//hash定位long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
        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) {
                K k;
                if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
                    return e.value;
            }
        }
        return null;
    }

 private int hash(Object k) {
        int h = hashSeed;

        if ((0 != h) && (k instanceof String)) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

        h ^= k.hashCode();

        // 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);
    }

ConcurrentHashMap的Put操作

    public V put(K key, V value) {
        Segment<K,V> s;
        if (value == null)//value不能为null
            throw new NullPointerException();
        int hash = hash(key);//获得hash位置
        int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
        if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
             (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
            s = ensureSegment(j);
        return s.put(key, hash, value, false);
    }

　　由于put方法里需要对共享变量进行写入操作，所以为了线程安全，在操作共享变量时必须得加锁。Put方法首先定位到Segment，然后在Segment里进行插入操作。插入操作需要经历两个步骤，第一步判断是否需要对Segment里的HashEntry数组进行扩容，第二步定位添加元素的位置然后放在HashEntry数组里。

　　是否需要扩容。在插入元素前会先判断Segment里的HashEntry数组是否超过容量（threshold），如果超过阀值，数组进行扩容。值得一提的是，Segment的扩容判断比HashMap更恰当，因为HashMap是在插入元素后判断元素是否已经到达容量的，如果到达了就进行扩容，但是很有可能扩容之后没有新元素插入，这时HashMap就进行了一次无效的扩容。

    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;
        if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
            Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
            int cap = proto.table.length;
            float lf = proto.loadFactor;
            int threshold = (int)(cap * lf);
            HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
            if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
                == null) { // recheck
                Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
                while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
                       == null) {
                    if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
                        break;
                }
            }
        }
        return seg;
    }

　　如何扩容。扩容的时候首先会创建一个两倍于原容量的数组，然后将原数组里的元素进行再hash后插入到新的数组里。为了高效ConcurrentHashMap不会对整个容器进行扩容，而只对某个segment进行扩容。

ConcurrentHashMap的size操作

 public int size() {
        // Try a few times to get accurate count. On failure due to
        // continuous async changes in table, resort to locking.
        final Segment<K,V>[] segments = this.segments;//获得segments
        int size;//定义size
        boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
        long sum;         // sum of modCounts
        long last = 0L;   // previous sum
        int retries = -1; // first iteration isn't retry
        try {
            for (;;) {//死循环
                if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {// static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2  2次没有锁住的情况
                    for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                        ensureSegment(j).lock(); // force creation
                }
                sum = 0L;
                size = 0;
                overflow = false;
                for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
                    Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
                    if (seg != null) {
                        sum += seg.modCount;
                        int c = seg.count;
                        if (c < 0 || (size += c) < 0)
                            overflow = true;
                    }
                }
                if (sum == last)
                    break;
                last = sum;
            }
        } finally {
            if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
                for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                    segmentAt(segments, j).unlock();
            }
        }
        return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
    }

　　要知道整个ConcurrentHashMap里元素的大小，就必须计算所有Segment里元素的大小然后求它们的和。Segment里的全局变量count是一个volatile变量，如果多线程场景下，我们是不是直接把所有Segment的count相加就可以拿到整个ConcurrentHashMap大小了？肯定不是这么简单的，虽然相加时可以获取每个Segment的count的最新值（volatile变量），但是拿到之后可能累加前使用的count发生了变化，那么统计结果就不一定准确了。所以最安全的做法，是在统计size的时候把所有Segment的put，remove和clean等方法全部锁住，这样就不会出现上面说的情况，但是这种做法显然非常低效。因为在累加count操作过程中，之前累加过的count发生变化的概率太小，所以ConcurrentHashMap的做法是先尝试2次通过不锁住Segment的方式来统计各个Segment大小，如果统计的过程中，容器的count发生了变化，则再采用加锁的方式来统计所有Segment的大小。那么ConcurrentHashMap是如何判断在统计的时候容器是否发生了变化呢？使用modCount变量，在put , remove和clean方法里操作元素前都会将变量modCount进行加1，那么在统计size前后比较modCount是否发生变化，从而得知容器的大小是否发生变化。