JUC--ConcurrentHashMap源码分析(一)(基于JDK1.7)
1 概述
前面分析研究了HashMap，我们知道HashMap不是线程安全的，那么如果需要线程安全的HashMap怎么办呢？这个时候我们有几种解决方法。
（1）使用HashTable代替HashMap；
（2）使用Collections.synchronizeMap(hashMap)；
（3）使用ConcurrentHashMap；
针对这三种方法得区别我们在文章后面再谈，下面我们就针对ConcurrentHashMap（JDK1.7）进行分析。
2 数据结构
ConcurrentHashMap与HashTable不同的是，这里并不是对整个数组加锁，而是对数组进行分段加锁（即对Segment[]）进行加锁。所以针对ConcurrentHashMap,只要不同线程获取的不是相同的Segment，就不会产生锁竞争。所以ConcnrrentHashMap比HashTable的效率高很多。
总结来说ConcurrentHashMap的数据结构就是：Segment 数组、HashEntry 数组和HashEntry链表组成。如图：
3 内部类
针对内部类，这里我们仅仅看一下Segment这个内部类的结构。
static final class Segment extends ReentrantLock implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;
//和HashMap中的HashEntry相同，真正存放数据的桶
transient volatile HashEntry[] table;
transient int count;
transient int modCount;
transient int threshold;
final float loadFactor;
... ...
} 我们可以看出来，Segment内部实际上就拥有了对HashEntry数组的一个分段存储。
4 属性
...
//默认的并发水平，也即segment的数量
static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
// 最大的segment的数量
static final int MAX_SEGMENTS = 1 << 16;
//segment的掩码，用来对segment进行定位，判断哪个segment
final int segmentMask;
//segment的偏移，segment中的索引
final int segmentShift;
//Segment 数组，存放数据时首先需要定位到具体的 Segment 中。
final Segment[] segments;
... Segment数组就是用于对HashEntry数组进行分段后的一个存储，主要是为了操作HashEntry的时候进行分段加锁，从而减小对锁的竞争。这就是与HashTable的区别所在，HashTable是对整个HashEntry数组进行加锁，所以执行的效率相对较低。
5 构造函数
针对构造函数，我们这里仅仅查看一个最核心的函数即可。
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
//验证参数的有效性
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
//segment的最大容量只能为2^16
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
int sshift = 0;
int ssize = 1;
while (ssize < concurrencyLevel) { //另ssize为2的幂
++sshift;
ssize <<= 1;
}
this.segmentShift = 32 - sshift;
this.segmentMask = ssize - 1;
//利用segmentShift和segmentMask可以通过key的hash值与这个值做&运算确定Segment索引
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
//检查给的容量值是否大于允许的最大容量值
int c = initialCapacity / ssize;
//计算每个Segment平均应该放置多少个元素,向上取整
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
//创建一个segment实例，并作为segment数组的一个元素
Segment s0 =
new Segment(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
(HashEntry[])new HashEntry[cap]);
Segment[] ss = (Segment[])new Segment[ssize];
UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0);
this.segments = ss;
} 6 核心函数
针对核心函数，这里我们仅仅看两个用得比较多的函数put和get。
6.1 put函数
public V put(K key, V value) {
Segment s;
//验证value是否为空
if (value == null)
throw new NullPointerException();
//获取key的hash值
int hash = hash(key);
//获取Segment数组的索引
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
//定位到Segment数组的位置
if ((s = (Segment)UNSAFE.getObject (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null)
s = ensureSegment(j);
//调用Segment中的put进行值的设置
return s.put(key, hash, value, false);
} 从上面的源码我们可以发现：当确定好了具体是哪一个Segment之后，我们就直接调用Segment的put函数来进行value的存储了。
那么这个存储的过程到底是怎样进行一个加锁的呢？我们继续来看一下Segment中put函数的实现。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
//如果加锁失败，则调用scanAndLockForPut方法
HashEntry node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
HashEntry[] tab = table;
//同hashMap相同的哈希定位方式
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry e = first;;) {
//若不为null，则持续查找，直到找到key和hash值相同的节点，将其value更新
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;
}
//若头结点为null
else {
//在遍历key对应节点链时没有找到相应的节点
if (node != null)
node.setNext(first);
//当前修改并不需要让其他线程知道，在锁退出时修改自然会
//更新到内存中,可提升性能
else
node = new HashEntry(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
//如果超过阈值，则进行rehash操作
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
} 可以看见这个方法在进入的时候就要进行一次获取锁的操作，如果没有获取到锁，我们可以猜想就要进行再次尝试或者进行自旋等待，这个再次获取锁或者自旋等待的操作，多半就是在scanAndLockForPut函数中执行了。
我们来看一下scanAndLockForPut函数里面做了什么。
private HashEntry scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
//根据hash值找到segment中的HashEntry节点
HashEntry first = entryForHash(this, hash); //首先获取头结点
HashEntry e = first;
HashEntry node = null;
int retries = -1; // negative while locating node
while (!tryLock()) { //持续遍历该哈希链
HashEntry f; // to recheck first below
if (retries < 0) {
if (e == null) {
//若不存在要插入的节点，则创建一个新的节点
if (node == null)
node = new HashEntry(hash, key, value, null);
retries = 0;
}
else if (key.equals(e.key))
retries = 0;
else
e = e.next;
}
else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
//尝试次数超出限制，则进行自旋等待
lock();
break;
}
/*当在自旋过程中发现节点链的链头发生了变化，则更新节点链的链头，
并重置retries值为－1，重新为尝试获取锁而自旋遍历*/
else if ((retries & 1) == 0 &&
(f = entryForHash(this, hash)) != first) {
e = first = f; // re-traverse if entry changed
retries = -1;
}
}
return node;
}
scanAndLockForPut方法，该操作持续查找key对应的节点链中是否已存在该节点，如 果没有找到已存在的节点，则预创建一个新节点，并且尝试n次，直到尝试次数超出限 制，才真正进入等待状态，即所谓的自旋等待。
上面就是put函数的分析，接下来我们看一看get函数又是咋个实现的。
6.2 get函数
这里我们直接上源码：
public V get(Object key) {
Segment s;
HashEntry[] tab;
int h = hash(key);
//定位到具体的Segment
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
//获取Segment即对应的HashEntry数组
if ((s = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
//循环获取HashEntry，并判断key和hash值是否相等
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;
}
get函数的实现比较简单，只需要将 Key 通过 Hash 之后定位到具体的 Segment ，再通过一次 Hash 定位到具体的元素上。
由于 HashEntry 中的 value 属性是用 volatile 关键词修饰的，保证了内存可见性，所以每次获取时都是最新值。
ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的，因为整个过程都不需要加锁。
7 总结
上面我们分析了ConcurrentHashMap（JDK1.7)的实现，在文章开头我们也提到了想要实现线程安全的Map的三种方式，现在我们就来总结一下这三种方式的区别。
（1）使用HashTable代替HashMap；
HashTable的内部其实是使用synchronized关键字来对HashTable对象进行加锁来实现线程安全的，所以无论是get操作还是put操作都需要获取到锁，这样依赖锁竞争比较严重，效率较低。
（2）使用Collections.synchronizeMap(hashMap)；
这种方法内部其实也是试用synchronized关键字来对mutex对象进行加锁的操作，其实和第一种方法的效率相同。
（3）使用ConcurrentHashMap；
这种方法对HashEntry数组进行分段加锁，使进入不同的HashEntry数组需要获取的锁不同，从而产生锁竞争的概率大大减小。另外，get操作也不需要获取锁，所以这种方法失效率最高的。