JDK源码阅读计划(Day10) ConcurrentHashMap 扩容,计数部分

扩容

Hash表的扩容一般分为：

哈希数组的扩容
一般是建立一个原来数组大小两倍的数组，通常由单线程完成

数据迁移
把旧数组中的各个槽的结点重新分配到新的table中。通常涉及到Key值的rehash
而HashMap与ConcurrentHashMap并不会重新计算每个key的hash值，而是数组扩容后，新的索引要么在原idx，要么在idx+n(n为扩容前数组容量)

这种处理方式的好处：
方便多线程同时进行数据迁移。可以把整个哈希数组划分为多个部分,每一个部分包含一定区间需要迁移的桶，每个线程分别处理其要负责的桶。

sizeCtl

-1 :代表table正在初始化,其他线程应该交出CPU时间片
-N: 表示正有N-1个线程执行扩容操作（高 16 位是 length 生成的标识符，低 16 位是扩容的线程数）
大于 0: 如果table已经初始化,代表table容量,默认为table大小的0.75,如果还未初始化,代表需要初始化的大小

何时发生扩容

我们看回treeifyBin函数

 // 哈希数组的容量还未达到形成一棵红黑树的最低要求
        if((n = tab.length)<MIN_TREEIFY_CAPACITY) {
            // 尝试调整哈希数组的大小，以容纳指定数量的元素（默认增加一倍）
            tryPresize(n << 1);

如果你只知道背面试题的话都会知道链表数目大于>=8就会转成红黑树。事实上这是不严谨的说法，只有在哈希数组容量大于等于64并且链表数目大于等于8才会转成红黑树。

否则会使用扩容哈希数组的方法来解决问题！

tryPresize方法

总结：

• CASE1:
  如果数组尚未初始化，或者容量无效，需要初始化一个哈希数组，并且CAS保证只有一个线程能够执行数组内存分配

• CASE2:
  如果预备扩容到的目标容量小于阙值(无需扩容)，或者哈希数组当前容量已达上限(无法扩容)，直接退出

• CASE3:
  CAS保证只有一条线程执行transfer, 同时使用一个经过移位处理的数组容量的stamp来唯一标识该次扩容。

// 尝试调整哈希数组的大小，以容纳指定数量的元素
private final void tryPresize(int size) {
    // 预备扩容到的目标容量
    int cap = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY                          // 如果哈希数组容量已经为最大容量的一半，则直接使用最大容量
        : tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);    // 理想情形下，哈希数组容量增加0.5倍
    
    int sc;
    
    while((sc = sizeCtl) >= 0) {
        Node<K, V>[] tab = table;
        
        int len;
        
        // 如果哈希数组还未初始化，或者容量无效，则需要初始化一个哈希数组
        if(tab == null || (len = tab.length) == 0) {
            // 确定待扩容的新容量
            len = Math.max(sc, cap);
            
            // 原子地将sizeCtl字段更新为-1，代表当前Map进入了初始化哈希数组的阶段
            if(U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if(table == tab) {
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[len];
                        table = nt;
                        
                        // 确定容量阙值为0.75*容量
                        sc = len - (len >>> 2);
                    }
                } finally {
                    // 恢复sizeCtl标记为非负数
                    sizeCtl = sc;
                }
            }
            
            // 在哈希数组已经初始化的情形下：如果预备扩容到的目标容量小于阙值(无需扩容)，或者哈希数组当前容量已达上限(无法扩容)，直接退出
        } else if(cap<=sc || len >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            break;
            
            // 如果需要扩容
        } else if(tab == table) {
        // 移位操作生成一个唯一的标记此次扩容的标志
            int stamp = resizeStamp(len) << RESIZE_STAMP_SHIFT;
            //CAS操作保证只有一个线程执行扩容  
            if(U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, stamp + 2)) {
                transfer(tab, null);
            }
        }
    }
}

transfer方法

/**
 * 扩容时需要用到的一个下标变量.
 */
private transient volatile int transferIndex;

用到一个volatile修饰的变量，其中[transferIndex-bound, transferIndex-1] 表示当前进行数据迁移的桶区间

int n = tab.length;
int stride = (NCPU>1) ? (n >>> 3) / NCPU : n;
// 每个线程至少负责16个桶的迁移
if(stride<MIN_TRANSFER_STRIDE) {
    stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
}

首先要计算stride，即每个线程负责的迁移的桶的数目

if(nextTab == null) {            // initiating
  try {
         @SuppressWarnings("unchecked")
         Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n << 1];
         nextTab = nt;
     } catch(Throwable ex) {      // try to cope with OOME
         sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
         return;
     }
     
     nextTable = nextTab;
     transferIndex = n;
 }

如果数组为空，则初始化为2倍

 while(true) {
   Node<K, V> f;
      int fh;

      //定位本轮处理的桶区间
      while(advance) {
          int nextIndex;
          int nextBound;
          
          if(--i >= bound || finishing) {
              advance = false;
          } else if((nextIndex = transferIndex)<=0) {
              i = -1;
              advance = false;
              //预处理完成后：i == transferIndex-1，bound == transferIndex-stride
          } else if(U.compareAndSetInt(this, TRANSFERINDEX, nextIndex, nextBound = (nextIndex>stride ? nextIndex - stride : 0))) {
              bound = nextBound;
              i = nextIndex - 1;
              advance = false;
          }
      }

整个数据迁移过程是在一个大的while自旋进行的，其中每一次进行桶的迁移前都要进行上述预处理，即定位好bound和nextIndex,区间[transferIndex-stride]即本次需要迁移的区间

然后迁移具体有4种case:

CASE1: 当前是最后一个迁移任务或出现扩容冲突

 if(i<0 || i >= n || i + n >= nextn) {
  int sc;
     
     if(finishing) {
         nextTable = null;
         table = nextTab;
         sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
         return;
     }
     // 扩容线程数减1,表示当前线程已完成自己的transfer任务
     if(U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
         int stamp = resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT;
         //如果出现了扩容冲突，则本线程直接结束工作
         if((sc - 2) != stamp) {
             return;
         }
         
         finishing = advance = true;
         
         i = n; // recheck before commit
     }
                

CASE2: 桶为空，CAS原子更新其为占位结点

else if((f = tabAt(tab, i)) == null) {
     // 原子地更新tab[i]为fwd
      advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);

CASE3：桶table[i]已迁移完成

桶已经用ForwardingNode结点占用了，表示该桶的数据都迁移完了。

else if((fh = f.hash) == MOVED) {
      advance = true; // already processed

CASE4: 桶table[i]未迁移完成

分为链表迁移和红黑树迁移两种情况讨论

链表迁移：

synchronized(f) {
//double check
if(tabAt(tab, i) == f) {
   Node<K, V> ln, hn;
   //普通链表情况
   if(fh >= 0) {
       // n为2的幂次方，所以runBit要么为1要么为0
       int runBit = fh & n;
       // lastRun为从头节点开始遍历的第一个与头节点runBit不同的结点，作为划分的新节点的头节点
       Node<K, V> lastRun = f;
       
       for(Node<K, V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
           int b = p.hash & n;
           if(b != runBit) {
               runBit = b;
               lastRun = p;
           }
       }
       
       if(runBit == 0) {
           ln = lastRun;
           hn = null;
       } else {
           hn = lastRun;
           ln = null;
       }
       
       for(Node<K, V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
           int ph = p.hash;
           K pk = p.key;
           V pv = p.val;
           //根据hash值与n与操作划分链表
           if((ph & n) == 0) {
               ln = new Node<K, V>(ph, pk, pv, ln);
           } else {
               hn = new Node<K, V>(ph, pk, pv, hn);
           }
       }
       
       // nextTab[i]=ln
       setTabAt(nextTab, i, ln);
       
       // nextTab[i+n]=hn
       setTabAt(nextTab, i + n, hn);
       
       // tab[i]=fwd
       setTabAt(tab, i, fwd);
       
       //迁移完成
       advance = true;

红黑树迁移：

else if(f instanceof TreeBin) {
 	 //t为原来的treeBin
 	 TreeBin<K, V> t = (TreeBin<K, V>) f;
 	 //新红黑子树1的头，尾
     TreeNode<K, V> lo = null, loTail = null;
     //新红黑子树2的头，尾
     TreeNode<K, V> hi = null, hiTail = null;
     int lc = 0, hc = 0;
     for(Node<K, V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
         int h = e.hash;
         TreeNode<K, V> p = new TreeNode<K, V>(h, e.key, e.val, null, null);
         if((h & n) == 0) {
             if((p.prev = loTail) == null) {
                 lo = p;
             } else {
                 loTail.next = p;
             }
             loTail = p;
             ++lc;
         } else {
             if((p.prev = hiTail) == null) {
                 hi = p;
             } else {
                 hiTail.next = p;
             }
             hiTail = p;
             ++hc;
         }
     }

     //如果分裂后的红黑树数目少于6则变回链表，如果另一个红黑树为空，那么还是用原来的TreeBin，否则红黑树的根节点变为TreeBin
     ln = (lc<=UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) : (hc != 0) ? new TreeBin<K, V>(lo) : t;
     
     hn = (hc<=UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) : (lc != 0) ? new TreeBin<K, V>(hi) : t;
     
     // nextTab[i]=ln
     setTabAt(nextTab, i, ln);
     
     // nextTab[i+n]=hn
     setTabAt(nextTab, i + n, hn);
     
     // tab[i]=fwd
     setTabAt(tab, i, fwd);
     
     advance = true;

helpTransfer

在调用如putVal，clear等方法时，如果当前线程发现哈希数组正在扩容(桶元素的哈希值=MOVED)，将会调用helpTransfer方法加快扩容

// 加速扩容过程
    final Node<K, V>[] helpTransfer(Node<K, V>[] tab, Node<K, V> f) {
        Node<K, V>[] nextTab;
        
        int sc;
        
        if(tab != null && (f instanceof ForwardingNode) && (nextTab = ((ForwardingNode<K, V>) f).nextTable) != null) {
           //rs是一个负数
            int rs = resizeStamp(tab.length) << RESIZE_STAMP_SHIFT;

            //sc<0 -> 正在扩容
            while(nextTab == nextTable && table == tab && (sc = sizeCtl)<0) {

                if((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs //当前sizeCtl标识符不相同，说明标识符发生了变化
                        || sc == rs + 1  
                        || sc == rs + MAX_RESIZERS //达到了最大扩容线程的数量
                        || transferIndex<=0) { //扩容结束
                    break;
                }
                
                //CAS源自增加一个扩容线程，本线程再调用一个transfer函数
                if(U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                    transfer(tab, nextTab);
                    break;
                }
            }
            
            return nextTab;
        }
        
        return table;
    }

size方法

public int size() {
        long n = sumCount();
        return ((n<0L) ? 0 : (n>(long) Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE : (int) n);
    }

但是map的容量有可能会超过int范围，因此1.8之后建议采用如下方法替代size

public long mappingCount() {
     long n = sumCount();
     return (n < 0L) ? 0L : n; // ignore transient negative values
 }

核心都是sumCount方法

final long sumCount() {
        CounterCell[] cs = counterCells;
        
        long sum = baseCount;
        
        if(cs != null) {
            for(CounterCell c : cs) {
                if(c != null) {
                    sum += c.value;
                }
            }
        }
        
        return sum;
    }

这里用到了两个成员:baseCount和counterCells

 	/**
     * Base counter value, used mainly when there is no contention,
     * but also as a fallback during table initialization
     * races. Updated via CAS.
     */
     //没有竞争时候的计数
    private transient volatile long baseCount;

	 /**
     * Table of counter cells. When non-null, size is a power of 2.
     */
    private transient volatile CounterCell[] counterCells;

这个CounterCell是什么意思啊？注释说这是改编自LongAdder与Striped64,

 /**
     * A padded cell for distributing counts.  Adapted from LongAdder
     * and Striped64.  See their internal docs for explanation.
     */
    @jdk.internal.vm.annotation.Contended
    static final class CounterCell {
        volatile long value;
        
        CounterCell(long x) {
            value = x;
        }
    }

这里的注解：避免伪共享问题，这个注解的作用是可以把缓存行填满，防止多个变量共享一个缓存行，避免修改互相独立的变量时候频繁发生缓存抖动影响性能

addCount方法

额外提一句，我参考https://www.jianshu.com/p/749d1b8db066
阅读源码的时候，发现评论区有人提出
( sc == rs + 1 || sc == rs + MAX_RESIZERS) 其实是dead code，并且给Oracle发了PR把这个bug改过来。作者还专门在stackoverflow发帖，可以下：

传送门：https://stackoverflow.com/questions/53493706/how-the-conditions-sc-rs-1-sc-rs-max-resizers-can-be-achieved-in

另外这位仁兄也提出了这个问题:
https://www.cnblogs.com/christmad/p/11385863.html

 private final void addCount(long x, int check) {
        CounterCell[] cs;
        long b, s;
        // 如果counterCells不为空或者修改baseCount失败
        if((cs = counterCells) != null || !U.compareAndSetLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
            CounterCell c;
            long v;
            int m;
            boolean uncontended = true;
            
            if(cs == null //如果counterCell为空
                    || (m = cs.length - 1)<0 // counterCell 大小为0
                    || (c = cs[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ////随机取余一个数组位置为空
                    || !(uncontended = U.compareAndSetLong(c, CELLVALUE, v = c.value, v + x))) //CAS失败，说明出现并发
            {
                fullAddCount(x, uncontended);
                return;
            }
            
            if(check<=1) {
                return;
            }
            
            s = sumCount();
        }
        //如果需要检查，检查其是否需要扩容，putVal方法默认要检查
        if(check >= 0) {
            Node<K, V>[] tab, nt;
            
            int n, sc;
            
            while(s >= (long) (sc = sizeCtl) //map的大小 大于 sizeCtl
                    && (tab = table) != null //table不为空
                    && (n = tab.length)<MAXIMUM_CAPACITY) //table长度小于 1<<30
            {
                int rs = resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT; // JDK12应该是这样子，JDK11没有左移操作
                // sc < 0 表示正在扩容
                if(sc<0) {
                    if((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs //sc的低16位与标识符不同，说明sc发生了变化！
                            || sc == rs + 1 //你看看最后一个else if,如果是第一个扩容的线程，会设置sc=rs+2,结束之后sc--,就变成了rs+1,因此这个条件就是说扩容结束了
                            || sc == rs + MAX_RESIZERS //帮助扩容线程数量达到了最大
                            || (nt = nextTable) == null //3857行表明结束后nextTable就是null，这里判断条件表示扩容结束
                            || transferIndex<=0) //transferIndex只在transfer发生变化，意味着数组容量发生了变化
                        
                    {
                        break;
                    }
                    //竞争成为帮助扩容的线程
                    if(U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                        transfer(tab, nt);
                    }
                    //竞争成为第一个进行扩容的线程
                } else if(U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, rs + 2)) {
                    transfer(tab, null);
                }
                
                s = sumCount();
            }
        }
    }

ref

CHM的扩容
https://www.jianshu.com/p/39b747c99d32
https://www.jianshu.com/p/88881fdfcf4c
https://www.jianshu.com/p/749d1b8db066