深入学习java并发包ConcurrentHashMap源码

正文

以前写过介绍HashMap的文章，文中提到过HashMap在put的时候，插入的元素超过了容量（由负载因子决定）的范围就会触发扩容操作，就是rehash，这个会重新将原数组的内容重新hash到新的扩容数组中，在多线程的环境下，存在同时其他的元素也在进行put操作，如果hash值相同，可能出现同时在同一数组下用链表表示，造成闭环，导致在get时会出现死循环，所以HashMap是线程不安全的。

JDK1.7的实现

整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。注意，行文中，我很多地方用了“槽”来代表一个 segment。

简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承 ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。

concurrencyLevel：并行级别、并发数、Segment 数。默认是 16，也就是说 ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments，所以理论上，这个时候，最多可以同时支持 16 个线程并发写，只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时候设置为其他值，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。

再具体到每个 Segment 内部，其实每个 Segment 很像之前介绍的 HashMap，不过它要保证线程安全，所以处理起来要麻烦些。

初始化
initialCapacity：初始容量，这个值指的是整个 ConcurrentHashMap 的初始容量，实际操作的时候需要平均分给每个 Segment。

loadFactor：负载因子，之前我们说了，Segment 数组不可以扩容，所以这个负载因子是给每个 Segment 内部使用的。

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
             float loadFactor, int concurrencyLevel) {
  if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
    throw new IllegalArgumentException();
  if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
    concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
  // Find power-of-two sizes best matching arguments
  int sshift = 0;
  int ssize = 1;
  // 计算并行级别 ssize，因为要保持并行级别是 2 的 n 次方
  while (ssize < concurrencyLevel) {
    ++sshift;
    ssize <<= 1;
  }
  // 我们这里先不要那么烧脑，用默认值，concurrencyLevel 为 16，sshift 为 4
  // 那么计算出 segmentShift 为 28，segmentMask 为 15，后面会用到这两个值
  this.segmentShift = 32 - sshift;
  this.segmentMask = ssize - 1;
  if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
    initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  // initialCapacity 是设置整个 map 初始的大小，
  // 这里根据 initialCapacity 计算 Segment 数组中每个位置可以分到的大小
  // 如 initialCapacity 为 64，那么每个 Segment 或称之为"槽"可以分到 4 个
  int c = initialCapacity / ssize;
  if (c * ssize < initialCapacity)
    ++c;
  // 默认 MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY 是 2，这个值也是有讲究的，因为这样的话，对于具体的槽上，
  // 插入一个元素不至于扩容，插入第二个的时候才会扩容
  int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; 
  while (cap < c)
    cap <<= 1;
  // 创建 Segment 数组，
  // 并创建数组的第一个元素 segment[0]
  Segment s0 =
    new Segment(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
             (HashEntry[])new HashEntry[cap]);
  Segment[] ss = (Segment[])new Segment[ssize];
  // 往数组写入 segment[0]
  UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
  this.segments = ss;
}

初始化完成，我们得到了一个 Segment 数组。

我们就当是用 new ConcurrentHashMap() 无参构造函数进行初始化的，那么初始化完成后：

• Segment 数组长度为 16，不可以扩容
• Segment[i] 的默认大小为 2，负载因子是 0.75，得出初始阈值为 1.5，也就是以后插入第一个元素不会触发扩容，插入第二个会进行第一次扩容
• 这里初始化了 segment[0]，其他位置还是 null，至于为什么要初始化 segment[0]，后面的代码会介绍
• 当前 segmentShift 的值为 32 - 4 = 28，segmentMask 为 16 - 1 = 15，姑且把它们简单翻译为移位数和掩码，这两个值马上就会用到

Segment

static class Segment extends ReentrantLock implements Serializable {
  transient volatile HashEntry[] table;
  transient int count;
  transient int modCount;
  
}

从上Segment的继承体系可以看出，Segment实现了ReentrantLock,也就带有锁的功能,table使用volatile修饰，保证了内存可见性。

put 过程分析

我们先看 put 的主流程，对于其中的一些关键细节操作，后面会进行详细介绍。

public V put(K key, V value) {
  Segment s;
  if (value == null)
    throw new NullPointerException();
  // 1. 计算 key 的 hash 值
  int hash = hash(key);
  // 2. 根据 hash 值找到 Segment 数组中的位置 j
  //  hash 是 32 位，无符号右移 segmentShift(28) 位，剩下高 4 位，
  //  然后和 segmentMask(15) 做一次与操作，也就是说 j 是 hash 值的高 4 位，也就是槽的数组下标
  int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
  // 刚刚说了，初始化的时候初始化了 segment[0]，但是其他位置还是 null，
  // ensureSegment(j) 对 segment[j] 进行初始化
  if ((s = (Segment)UNSAFE.getObject     // nonvolatile; recheck
     (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
    s = ensureSegment(j);
  // 3. 插入新值到 槽 s 中
  return s.put(key, hash, value, false);
}

初始化槽: ensureSegment

ConcurrentHashMap 初始化的时候会初始化第一个槽 segment[0]，对于其他槽来说，在插入第一个值的时候进行初始化。

这里需要考虑并发，因为很可能会有多个线程同时进来初始化同一个槽 segment[k]，不过只要有一个成功了就可以。

private Segment ensureSegment(int k) {
  final Segment[] ss = this.segments;
  long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
  Segment seg;
  if ((seg = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
    // 这里看到为什么之前要初始化 segment[0] 了，
    // 使用当前 segment[0] 处的数组长度和负载因子来初始化 segment[k]
    // 为什么要用“当前”，因为 segment[0] 可能早就扩容过了
    Segment proto = ss[0];
    int cap = proto.table.length;
    float lf = proto.loadFactor;
    int threshold = (int)(cap * lf);
    // 初始化 segment[k] 内部的数组
    HashEntry[] tab = (HashEntry[])new HashEntry[cap];
    if ((seg = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
      == null) { // 再次检查一遍该槽是否被其他线程初始化了。
      Segment s = new Segment(lf, threshold, tab);
      // 使用 while 循环，内部用 CAS，当前线程成功设值或其他线程成功设值后，退出,如果其他线程成功设置后，这里获取到直接返回
      while ((seg = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
          == null) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
          break;
      }
    }
  }
  return seg;
}

总的来说，ensureSegment(int k) 比较简单，对于并发操作使用 CAS 进行控制。

第一层很简单，根据 hash 值很快就能找到相应的 Segment，之后就是 Segment 内部的 put 操作了。

Segment 内部是由 数组+链表 组成的

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
  // 在往该 segment 写入前，需要先获取该 segment 的独占锁
  //  先看主流程，后面还会具体介绍这部分内容
  HashEntry node = tryLock() ? null :
    scanAndLockForPut(key, hash, value);
  V oldValue;
  try {
    // 这个是 segment 内部的数组
    HashEntry[] tab = table;
    // 再利用 hash 值，求应该放置的数组下标
    int index = (tab.length - 1) & hash;
    // first 是数组该位置处的链表的表头
    HashEntry first = entryAt(tab, index);

    // 下面这串 for 循环虽然很长，不过也很好理解，想想该位置没有任何元素和已经存在一个链表这两种情况
    for (HashEntry e = first;;) {
      if (e != null) {
        K k;
        if ((k = e.key) == key ||
          (e.hash == hash && key.equals(k))) {
          oldValue = e.value;
          if (!onlyIfAbsent) {
            // 覆盖旧值
            e.value = value;
            ++modCount;
          }
          break;
        }
        // 继续顺着链表走
        e = e.next;
      }
      else {
        // node 到底是不是 null，这个要看获取锁的过程，不过和这里都没有关系。
        // 如果不为 null，那就直接将它设置为链表表头；如果是null，初始化并设置为链表表头。
        if (node != null)
          node.setNext(first);
        else
          node = new HashEntry(hash, key, value, first);

        int c = count + 1;
        // 如果超过了该 segment 的阈值，这个 segment 需要扩容
        if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
          rehash(node); // 扩容后面也会具体分析
        else
          // 没有达到阈值，将 node 放到数组 tab 的 index 位置，
          // 其实就是将新的节点设置成原链表的表头
          setEntryAt(tab, index, node);
        ++modCount;
        count = c;
        oldValue = null;
        break;
      }
    }
  } finally {
    // 解锁
    unlock();
  }
  return oldValue;
}

整体流程还是比较简单的，由于有独占锁的保护，所以 segment 内部的操作并不复杂。至于这里面的并发问题，我们稍后再进行介绍。

到这里 put 操作就结束了，接下来，我们说一说其中几步关键的操作。

获取写入锁: scanAndLockForPut

前面我们看到，在往某个 segment 中 put 的时候，首先会调用 node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value)，也就是说先进行一次 tryLock() 快速获取该 segment 的独占锁，如果失败，那么进入到 scanAndLockForPut 这个方法来获取锁。

下面我们来具体分析这个方法中是怎么控制加锁的。

private HashEntry scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
  HashEntry first = entryForHash(this, hash);
  HashEntry e = first;
  HashEntry node = null;
  int retries = -1; // negative while locating node
  // 循环获取锁
  while (!tryLock()) {
    HashEntry f; // to recheck first below
    if (retries < 0) {
      if (e == null) {
        if (node == null) // speculatively create node
          // 进到这里说明数组该位置的链表是空的，没有任何元素
          // 当然，进到这里的另一个原因是 tryLock() 失败，所以该槽存在并发，不一定是该位置
          node = new HashEntry(hash, key, value, null);
        retries = 0;
      }
      else if (key.equals(e.key))
        retries = 0;
      else
        // 顺着链表往下走
        e = e.next;
    }
    // 重试次数如果超过 MAX_SCAN_RETRIES（单核1多核64），那么不抢了，进入到阻塞队列等待锁
    //  lock() 是阻塞方法，直到获取锁后返回
    else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
      lock();
      break;
    }
    else if ((retries & 1) == 0 &&
         // 这个时候是有大问题了，那就是有新的元素进到了链表，成为了新的表头
         //   所以这边的策略是，相当于重新走一遍这个 scanAndLockForPut 方法
         (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
      e = first = f; // re-traverse if entry changed
      retries = -1;
    }
  }
  return node;
}

这个方法有两个出口，一个是 tryLock() 成功了，循环终止，另一个就是重试次数超过了 MAX_SCAN_RETRIES，进到 lock() 方法，此方法会阻塞等待，直到成功拿到独占锁。

这个方法就是看似复杂，但是其实就是做了一件事，那就是获取该 segment 的独占锁，如果需要的话顺便实例化了一下 node。

获取锁时，并不直接使用lock来获取，因为该方法获取锁失败时会挂起。事实上，它使用了自旋锁，如果tryLock获取锁失败，说明锁被其它线程占用，此时通过循环再次以tryLock的方式申请锁。如果在循环过程中该Key所对应的链表头被修改，则重置retry次数。如果retry次数超过一定值，则使用lock方法申请锁。

这里使用自旋锁是因为自旋锁的效率比较高，但是它消耗CPU资源比较多，因此在自旋次数超过阈值时切换为互斥锁。

扩容: rehash

重复一下，segment 数组不能扩容，扩容是 segment 数组某个位置内部的数组 HashEntry\[] 进行扩容，扩容后，容量为原来的 2 倍。

首先，我们要回顾一下触发扩容的地方，put 的时候，如果判断该值的插入会导致该 segment 的元素个数超过阈值，那么先进行扩容，再插值，读者这个时候可以回去 put 方法看一眼。

该方法不需要考虑并发，因为到这里的时候，是持有该 segment 的独占锁的。

// 方法参数上的 node 是这次扩容后，需要添加到新的数组中的数据。
private void rehash(HashEntry node) {
  HashEntry[] oldTable = table;
  int oldCapacity = oldTable.length;
  // 2 倍
  int newCapacity = oldCapacity << 1;
  threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
  // 创建新数组
  HashEntry[] newTable =
    (HashEntry[]) new HashEntry[newCapacity];
  // 新的掩码，如从 16 扩容到 32，那么 sizeMask 为 31，对应二进制 ‘000...00011111'
  int sizeMask = newCapacity - 1;

  // 遍历原数组，老套路，将原数组位置 i 处的链表拆分到 新数组位置 i 和 i+oldCap 两个位置
  for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
    // e 是链表的第一个元素
    HashEntry e = oldTable[i];
    if (e != null) {
      HashEntry next = e.next;
      // 计算应该放置在新数组中的位置，
      // 假设原数组长度为 16，e 在 oldTable[3] 处，那么 idx 只可能是 3 或者是 3 + 16 = 19
      int idx = e.hash & sizeMask;
      if (next == null)  // 该位置处只有一个元素，那比较好办
        newTable[idx] = e;
      else { // Reuse consecutive sequence at same slot
        // e 是链表表头
        HashEntry lastRun = e;
        // idx 是当前链表的头结点 e 的新位置
        int lastIdx = idx;

        // 下面这个 for 循环会找到一个 lastRun 节点，这个节点之后的所有元素是将要放到一起的
        for (HashEntry last = next;
           last != null;
           last = last.next) {
          int k = last.hash & sizeMask;
          if (k != lastIdx) {
            lastIdx = k;
            lastRun = last;
          }
        }
        // 将 lastRun 及其之后的所有节点组成的这个链表放到 lastIdx 这个位置
        newTable[lastIdx] = lastRun;
        // 下面的操作是处理 lastRun 之前的节点，
        //  这些节点可能分配在另一个链表中，也可能分配到上面的那个链表中
        for (HashEntry p = e; p != lastRun; p = p.next) {
          V v = p.value;
          int h = p.hash;
          int k = h & sizeMask;
          HashEntry n = newTable[k];
          newTable[k] = new HashEntry(h, p.key, v, n);
        }
      }
    }
  }
  // 将新来的 node 放到新数组中刚刚的 两个链表之一 的 头部
  int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
  node.setNext(newTable[nodeIndex]);
  newTable[nodeIndex] = node;
  table = newTable;
}

总结一下put的流程：

当执行put操作时，会进行第一次key的hash来定位Segment的位置，如果该Segment还没有初始化，即通过CAS操作进行赋值，然后进行第二次hash操作，找到相应的HashEntry的位置，这里会利用继承过来的锁的特性，在将数据插入指定的HashEntry位置时（链表的尾端），会通过继承ReentrantLock的tryLock（）方法尝试去获取锁，如果获取成功就直接插入相应的位置，如果已经有线程获取该Segment的锁，那当前线程会以自旋的方式去继续的调用tryLock（）方法去获取锁，超过指定次数就挂起，等待唤醒。

get 过程分析

相对于 put 来说，get 真的不要太简单。

1.计算 hash 值，找到 segment 数组中的具体位置，或我们前面用的“槽”

2.槽中也是一个数组，根据 hash 找到数组中具体的位置

3.到这里是链表了，顺着链表进行查找即可

public V get(Object key) {
  Segment s; // manually integrate access methods to reduce overhead
  HashEntry[] tab;
  // 1. hash 值
  int h = hash(key);
  long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
  // 2. 根据 hash 找到对应的 segment
  if ((s = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
    (tab = s.table) != null) {
    // 3. 找到segment 内部数组相应位置的链表，遍历
    for (HashEntry e = (HashEntry) 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;
}

size操作

put、remove和get操作只需要关心一个Segment，而size操作需要遍历所有的Segment才能算出整个Map的大小。一个简单的方案是，先锁住所有Sgment，计算完后再解锁。但这样做，在做size操作时，不仅无法对Map进行写操作，同时也无法进行读操作，不利于对Map的并行操作。

为更好支持并发操作，ConcurrentHashMap会在不上锁的前提逐个Segment计算3次size，如果某相邻两次计算获取的所有Segment的更新次数（每个Segment都与HashMap一样通过modCount跟踪自己的修改次数，Segment每修改一次其modCount加一）相等，说明这两次计算过程中无更新操作，则这两次计算出的总size相等，可直接作为最终结果返回。如果这三次计算过程中Map有更新，则对所有Segment加锁重新计算Size。该计算方法代码如下

public int size() {
 final Segment[] segments = this.segments;
 int 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 (;;) {
   if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
    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 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;
}

ConcurrentHashMap的Size方法是一个嵌套循环，大体逻辑如下：

1.遍历所有的Segment。

2.把Segment的元素数量累加起来。

3.把Segment的修改次数累加起来。

4.判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。如果大于，说明统计过程中有修改，重新统计，尝试次数+1；如果不是。说明没有修改，统计结束。

5.如果尝试次数超过阈值，则对每一个Segment加锁，再重新统计。

6.再次判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。由于已经加锁，次数一定和上次相等。

7.释放锁，统计结束。

并发问题分析

现在我们已经说完了 put 过程和 get 过程，我们可以看到 get 过程中是没有加锁的，那自然我们就需要去考虑并发问题。

添加节点的操作 put 和删除节点的操作 remove 都是要加 segment 上的独占锁的，所以它们之间自然不会有问题，我们需要考虑的问题就是 get 的时候在同一个 segment 中发生了 put 或 remove 操作。

put 操作的线程安全性

• 初始化槽，这个我们之前就说过了，使用了 CAS 来初始化 Segment 中的数组。
• 添加节点到链表的操作是插入到表头的，所以，如果这个时候 get 操作在链表遍历的过程已经到了中间，是不会影响的。当然，另一个并发问题就是 get 操作在 put 之后，需要保证刚刚插入表头的节点被读取，这个依赖于 setEntryAt 方法中使用的 UNSAFE.putOrderedObject。
• 扩容。扩容是新创建了数组，然后进行迁移数据，最后面将 newTable 设置给属性 table。所以，如果 get 操作此时也在进行，那么也没关系，如果 get 先行，那么就是在旧的 table 上做查询操作；而 put 先行，那么 put 操作的可见性保证就是 table 使用了 volatile 关键字。

remove 操作的线程安全性

• remove 操作我们没有分析源码，所以这里说的读者感兴趣的话还是需要到源码中去求实一下的。
• get 操作需要遍历链表，但是 remove 操作会"破坏"链表。
• 如果 remove 破坏的节点 get 操作已经过去了，那么这里不存在任何问题。
• 如果 remove 先破坏了一个节点，分两种情况考虑。 1、如果此节点是头结点，那么需要将头结点的 next 设置为数组该位置的元素，table 虽然使用了 volatile 修饰，但是 volatile 并不能提供数组内部操作的可见性保证，所以源码中使用了 UNSAFE 来操作数组，请看方法 setEntryAt。2、如果要删除的节点不是头结点，它会将要删除节点的后继节点接到前驱节点中，这里的并发保证就是 next 属性是 volatile 的。

最后我们来看看并发操作示意图

Case1：不同Segment的并发写入

不同Segment的写入是可以并发执行的。

Case2：同一Segment的一写一读

同一Segment的写和读是可以并发执行的。

Case3：同一Segment的并发写入

Segment的写入是需要上锁的，因此对同一Segment的并发写入会被阻塞。

由此可见，ConcurrentHashMap当中每个Segment各自持有一把锁。在保证线程安全的同时降低了锁的粒度，让并发操作效率更高。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。