JUC---ConcurrentHashMap源码解析(JDK13)

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一、Map家族

本篇只分析ConcurrentHashMap的源码。HashMap就简略带过，但是必须先明白了HashMap的相关原理再来了解ConcurrentHashMap更好。
Map是我们工作中用到最多的数据结构，key-value形式。看看整个Map家族

• HashMap，根据键值的hashcode寻找存储位置，查询的时候速度也非常快。线程非安全的。
• HashTable，在HashMap的基础上为每个方法加了synchronized修饰来保证线程安全。废弃不使用。并发性能低。
• LinkedHashMap，保存记录的插入顺序，遍历的时候也是根据插入顺序遍历的。常用在一些过滤器的注册中，Shiro的自定义过滤器就用到了。
• TreeMap，实现了SortedMap，可以根据键排序。默认升序，可以自定义排序的实现。
• ConcurrentHashMap，线程安全的Map，在JDK1.7和JDK1.8及更高的版本实现不同。

// Collections工具类中的synchronizedMap方法也能获得一个线程安全的Map，不过性能比ConcurrentHashMap低，也不推荐使用
// 在源码可以发现，它也是用synchronized把所有方法包装起来，类似HashTable
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {
    return new SynchronizedMap<>(m);
}

不管什么Map，都要求key是不可变对象。如果key还可变的话，存储，查询都会根据key计算hash值，那Map岂不是混乱了。

HashMap为什么线程不安全？多线程下就不应该使用HashMap

同时碰撞可能会导致数据丢失，两个线程put，如果计算的hash值一样，那么就有一个会丢失数据
同时扩容可能会导致数据丢失，两个线程扩容resize，最后只会保存一个数组，也会丢失数据
死循环(JDK7及更低版本存在)，多个线程扩容的时候造成链表的死循环，环形链表

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二、HashMap

JDK1.7及更低的版本

数组+链表的形式。产生Hash碰撞就采用拉链法。

相关图片来自：https://www.javadoop.com/post/hashmap

JDK1.8及更高的版本

数组+链表+红黑树的形式。相比于1.7不同的是，产生Hash碰撞后，当链表长度超过8并且容量超过64就会转为红黑树。红黑树是一种平衡二叉树，也叫二叉查找树，会自动平衡节点。让左右树的高度差不超过1。达到一种平衡。左节点比右节点小。查询效率是O(logN)。相比于链表的查询效率O(N)，查询速度更快。

在HashMap的put方法中有这样一段代码

if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
	// 新插入的值是链表中的第8个，则转为红黑树
    treeifyBin(tab, hash);
break;

TREEIFY_THRESHOLD初始化值如下

static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

不过在treeifyBin方法还有一层判断

final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
        int n, index; Node<K,V> e;
        // 桶数组的长度要大于64才转为红黑树，否则执行数组扩容
        if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            resize();
        else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
            TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
            do {
                TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
                if (tl == null)
                    hd = p;
                else {
                    p.prev = tl;
                    tl.next = p;
                }
                tl = p;
            } while ((e = e.next) != null);
            if ((tab[index] = hd) != null)
                hd.treeify(tab);
        }
    }

为什么要达到一定长度才转：红黑树占用的内存是链表的2倍。冲突不多的情况下，用链表也无可厚非，速度差别忽略不计。而且很少有情况能链表长度超过8。

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三、ConcurrentHashMap

JDK1.7

在1.7中ConcurrentHashMap采用分段锁的思想。是一个Segment数组。初始化有16个Segment。Segment继承了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。每个Segment里面可以看做一个类似于HashMap的结构。每个Segment不相互影响，最大允许16个线程的并发。初始化时可以设置Segment大小，不过设置之后不会扩容。

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable{}

JDK1.8及更高的版本，本文贴的代码是JDK13

在1.8及更高的版本中ConcurrentHashMap和HashMap是非常相似的。两者结构上基本上一样，不过ConcurrentHashMap要保证线程安全性。

put(K key, V value)

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) {
	// 与HashMap不一样，key-value都不允许为null
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    // 得到键的hash值
    int hash = spread(key.hashCode());
    // 用于记录相应链表的长度
    int binCount = 0;
    // 在for循环中完成值得put操作
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
        // 如果数组"空"，进行数组初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
        	// 如果数组该位置为空，直接用CAS操作设置值
            // casTabAt方法贴在下面。里面调用Unsafe的本地方法。
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
            	// 如果CAS成功，本次put就结束了
            	// 如果CAS失败，说明有另一个线程已经在这个位置put了值。那就是有并发操作，进到下一个循环就好了
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
        	// MOVED代表这个槽点正在扩容，那就去帮助扩容
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else if (onlyIfAbsent // check first node without acquiring lock
                 && fh == hash
                 && ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
                 && (fv = f.val) != null)
            return fv;
        else {
        	// 到这里就说明f是该位置的头结点，而且不为空
        	// oldVal是要返回的旧值
            V oldVal = null;
            // 加锁，保证线程安全
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
						// 头结点的hash 值大于0，说明是链表
                        // 用于累加，记录链表的长度
                        binCount = 1;
                        // 遍历链表
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 找到对应的位置，如果发现了相同的key，判断是否要进行值覆盖，然后就可以break结束了，退出for循环
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                // 把原来的值赋给oldVal 
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            // 没有相同的key，就到了链表的最后，将这个新值放到链表的最后面，退出for循环
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                    	// 如果是红黑树
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        // 则把元素添加在树上
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            // 把原来的值赋给oldVal 
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                    else if (f instanceof ReservationNode)
                        throw new IllegalStateException("Recursive update");
                }
            }
            if (binCount != 0) {
            	// 判断是否要将链表转换为红黑树，临界值8
            	// 这个方法在上面HashMap1.8版本中有说道
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
                                    Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
    return U.compareAndSetReference(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}

put的流程：

• 判断key value是否为空
• 计算key的hash值
• 根据对应位置节点的类型来赋值，为空就直接set，或者帮助扩容，是红黑树就直接增加元素到树，是链表就添加到链表最后
• 判断是否需要转为红黑树
• 返回旧值

利用CAS+synchronized 保证并发安全。

get(Object key)

public V get(Object key) {
     Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
     // 计算key的hash值
     int h = spread(key.hashCode());
     if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
         (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
         // 如果槽点hash值符合，并且key相等，就返回这个value
         if ((eh = e.hash) == h) {
             if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                 return e.val;
         }
         else if (eh < 0)
         	// 如果头结点的hash小于0，说明正在扩容，或者该位置是红黑树
         	// 调用find方法查询值
             return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
         while ((e = e.next) != null) {
         	// 走到这里的话就是链表，遍历链表获取值
             if (e.hash == h &&
                 ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                 return e.val;
         }
     }
     return null;
 }

Node<K,V> find(int h, Object k) {
  Node<K,V> e = this;
    if (k != null) {
    	// do while循环遍历节点寻找value
        do {
            K ek;
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                return e;
        } while ((e = e.next) != null);
    }
    return null;
}

get的流程：

• 计算key的hash值
• 根据对应槽点的类型取值，直接取值，红黑树取值，遍历链表取值
• 返回value

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