Java——ConcurrentMap 解读

Java集合框架中的Map类型的数据结构是非线程安全, 在多线程环境中使用时需要手动进行线程同步. 因此在java.util.concurrent包中提供了一个线程安全版本的Map类型数据结构: ConcurrentMap. 本篇文章主要关注ConcurrentMap接口以及它的Hash版本的实现ConcurrentHashMap.

要实现线程安全,就需要加锁, HashTable就是线程安全的, 但是HashTable对整张表加锁的做法非常消耗性能, ConcurrentMap的做法简单来说, 就是把哈希表分成若干段, 对其中某一段操作时, 只锁住这一段, 其他段可以不受影响. 如下图所示:

整个ConcurrentMap由一个segment数组组成(即segments), 数组中每一个segment是一张哈希表, 哈希表中存放的是一张hashentry链表.

本文主要分析以下两个过程:

1.ConcurrentMap的构造方法
2.put(K key, V value)

ConcurrentMap的构造方法

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                             float loadFactor, int concurrencyLevel);
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor);

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity);

public ConcurrentHashMap();

public ConcurrentHashMap(Map m);

这5种构造方法, 最终都会使用第一个构造函数来初始化ConcurrentHashMap.

第一个构造函数的代码:

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;
    while (ssize < concurrencyLevel) {
        ++sshift;
        ssize <<= 1;
    }
    this.segmentShift = 32 - sshift;
    this.segmentMask = ssize - 1;
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    int c = initialCapacity / ssize;
    if (c * ssize < initialCapacity)
        ++c;
    int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
    while (cap < c)
        cap <<= 1;
    // create segments and segments[0]
    Segment s0 =
        new Segment(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                         (HashEntry[])new HashEntry[cap]);
    Segment[] ss = (Segment[])new Segment[ssize];
    UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
    this.segments = ss;
}

其中concurrencyLevel是实例化以后就不可改变的, 它决定了segments数组的大小, 同时决定了这个ConcurrentHashMap的并发能力.segmentShift和segmentMask与hash算法相关.loadFactor参数决定了Segment在何时扩容.

ConcurrentHashMap的put方法

public V put(K key, V value) {
    Segment s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
    if ((s = (Segment)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
         (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
        s = ensureSegment(j);
    return s.put(key, hash, value, false);
}

过程如下:
1.通过第一次哈希算法,计算当前key属于哪一个segment;
2.如果映射到的segment为空, 则执行3, 否则执行4;
3.借助UNSAFE类, 使用线程安全的方式, 构建一个新的segment, 并且放入segments中相应的位置;
4.调用segment中的put方法, 将key, value对放入segment中.

从中可以看到, 最终存储key,value对的是segment, 因此只要对需要插入键值对的segment上锁就可以保证线程安全.

segment的put方法

首先看segment的定义, 它是ConcurrentHashMap的内部类, 该类继承了ReentrantLock.

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

查看它的构造方法:

Segment(float lf, int threshold, HashEntry[] tab) {
    this.loadFactor = lf;
    this.threshold = threshold;
    this.table = tab;
}

Segment的主要构成是一张哈希表(存储hashentry)和threshold(当哈希表尺寸大于threshold时扩容).

下面是它的put方法:

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    HashEntry node = tryLock() ? null :
        scanAndLockForPut(key, hash, value);
    V oldValue;
    try {
        HashEntry[] tab = table;
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        HashEntry first = entryAt(tab, index);
        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) {
                        e.value = value;
                        ++modCount;
                    }
                    break;
                }
                e = e.next;
            }
            else {
                if (node != null)
                    node.setNext(first);
                else
                    node = new HashEntry(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;
}

put方法的主要流程如下:
1.尝试获取当前segment的锁,若成功则执行3, 若失败则执行2;
2.根据key在hashtable中搜索hashentry, 并且获取锁(此处会进行阻塞操作);
3.根据key在hashtable中搜索hashentry,如果当前位置已经存在值, 则使用链接的方式解决冲突;
4.如果当前尺寸超过了threshold,则执行rehash(将segment中的所有键值对重新hash).

总结

ConcurrentHashMap的实现,主要原理就是使用segments将原本唯一的hashtable分段, 增加并发能力. ConcurrentHashMap中还有比较重要的一点就是使用的两次哈希算法(第一次哈希算法找到segment, 第二次哈希算法找到hashentry), 这两次哈希算法要求能尽量将元素均匀的分布到不同的segment的hashtable中, ConcurrentHashMap使用的是single-word Wang/Jenkins哈希算法的一个变种。