ConcurrentHashMap小结

ConcurrentHashMap小结

ConcurrentHashMap与HashTable

• 都是线程安全的.
• HashTable:对get和put相关操作设加锁synchronized,相当于给整个哈希表加锁,多线程访问时只有一个线程可以访问和操作数据,其他线程阻塞,性能差.
• ConcurrentHashMap:有多把锁,每个锁锁一小段数据,不同的数据段之间可以并发访问,提高了效率.

JDK1.7的版本

结构图:

Segment[]	Segment 1	...	Segment 2
HashEntry[]	HashEntry1.1 HashEntry1.2	...	HashEntry2.1

• 由Segment[]数组 和 HashEntry[]组成,为数组+链表形式.

成员变量

final Segment<K,V>[] segments; // 数组
transient Set<K> keySet; // key集合
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet; // 对应的一个个键值对

Segment是一个内部类,代表一个个数组元素.

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
    transient volatile HashEntry<K,V>[] table; // 放数据的桶
    transient int count;
    transient int modCount;
    transient int threshold;
    final float loadFactor;
    
}

HashEntry为一个个键值对.

static final class HashEntry<K,V>{
    final int hash;
    final K key;
    volatile V value; // 保证获取时的可见性
    volatile HashEntry<K,V> next; // 指向链表的下一个元素
}

注:

• 采用分段锁技术.
• 不像HashTable对put和get方法做同步处理.
• 每个线程占用锁访问一个Segment时,不影响其他的Segment.
• 默认初始容量为16个Segment,负载因子为0.75,并发线程为16,对应16个线程可并发执行.

构造器

• 若用户不指定则使用默认值，初始容量为16，负载因子为0.75，并发线程数为16.
• Segment数组的容量为大于并发线程数的2的幂次。（2的幂次方便扩容时定位Segment的位置）

put方法

// 添加元素
// 1. 若为null,则抛出异常
// 2. 若非null,则确保Segment大小足够
// 3. 添加键值对
public V put(K key, V value) {
    Segment<K,V> s;
    if (value == null) // 不允许value为空
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask; // 通过哈希值获得在数组的位置。
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject
         (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null)
        s = ensureSegment(j);
    return s.put(key, hash, value, false);
}

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
        scanAndLockForPut(key, hash, value); // 尝试加锁，若失败则自旋重试，超过MAX_SCAN_RETRIES则改为阻塞锁获取，从而保证成功
    V oldValue;
    try {
        HashEntry<K,V>[] tab = table;
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
        for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
            if (e != null) {
                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 {
                if (node != null)
                    node.setNext(first);
                else
                    node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
                int c = count + 1;
                if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                    rehash(node);
                else
                    setEntryAt(tab, index, node);
                ++modCount;
                count = c;
                oldValue = null;
                break;
            }
        }
    } finally {
        unlock();
    }
    return oldValue;
}

流程：

1. 将当前Segment中的table通过key的hashcode定位到HashEntry。
2. 遍历HashEntry，若不为空则判断是否相等，相等则直接覆盖旧值。
3. 若为空，则创建新的HashEntry并加入到Segment中，并判断是否需要扩容。
4. 解除获得的Segment的锁。

get方法

public V get(Object key) {
    Segment<K,V> s;
    HashEntry<K,V>[] tab;
    int h = hash(key);
    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;
}

流程：

1. 通过key的进行hash获得对应的Segment。
2. 若不为null，则再次hash定位到具体的元素HashEntry上。
3. 若不为空，则返回获取的元素；否则直接返回null。

注：

• value是volatile的，所以获取时不用加锁，每次获取的是最新值。

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JDK1.8的版本

改进：

• JDK1.7在查询时遍历链表，效率低。
• 抛弃了之前的Segment的分段锁，采用CAS+synchronized的方式保证并发的安全性。
• 底层 == > 使用数组+链表/红黑树实现。

几个重要的字段

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f; // 负载因子

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 从链表转换成红黑树的元素个数的阈值，即>=8时转换为红黑树
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; // 从红黑树转换为链表的阈值
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; // 最小表容量，过小导致过多的结点在一起

private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); // CPU的数量

构造函数

// 默认的table大小为16
public ConcurrentHashMap() {
}

// 指定默认大小
// 若大于最大容量，则设为最大容量
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;
}

关键域

// 用来存储键值对的结点
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash; // 结点对应的hash值
    final K key;
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
}

// 红黑树的结点
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;
    boolean red;
}

// TreeNode用在红黑树的头结点
// TreeBin用来指向TreeNode和根结点
// 同时持有读写锁，使得写者阻塞直到读者完成
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;
    // 阻塞状态
    static final int WRITER = 1; // 持有写锁
    static final int WAITER = 2; // 等待写锁
    static final int READER = 4; // 设置读锁的增量
}

核心方法

扩容方法

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            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;
}

流程：

1. 若有线程在扩容，则当前线程等待。
2. 否则创建容量为默认大小的桶数组。
3. 可用的大小是容量的0.75。

put方法

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

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        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)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        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) {
                        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;
}

put的整体流程：

1. 首先检查key和value是否为null，若为空，则抛出异常。
2. 重复下列动作，直到退出循环
3. 检查桶数组table是否初始化，若没有初始化，则先初始化，再尝试插入键值对。
4. 检查键值对所对应的桶table位置是否为空，为空则利用CAS操作在该位置上插入键值对，并退出循环。
5. 若非空，则表示出现碰撞，则判断是否在扩容
6. 若在扩容，则协助扩容。
7. 若不在扩容，则synchronized锁定桶table数组的首个结点。
8. 从桶数组的首个结点向后遍历，若遇到相等的结点，说明已经插入，则直接退出循环。
9. 否则找到最后一个结点，将新的键值对插入其后（尾插入），退出循环。
10. 若是红黑树，则调用红黑树的插入方法，并退出循环。
11. 最后检查一下链表是否需要转换成红黑树，若需要，则进行转换。

参考：

• 并发容器之ConcurrentHashMap(JDK 1.8版本)
• 
  ConcurrentHashMap的sizeCtl含义纠正