ConcurrentHashMap

1 JDK 7 HashMap 并发死链

调试工具使用 idea

在 HashMap 源码 590 行加断点

int newCapacity = newTable.length;

断点的条件如下，目的是让 HashMap 在扩容为 32 时，并且线程为 Thread-0 或 Thread-1 时停下来

newTable.length==32 &&
	 (
		 Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")||
		 Thread.currentThread().getName().equals("Thread-1")
	 )

断点暂停方式选择 Thread，否则在调试 Thread-0 时，Thread-1 无法恢复运行运行代码，程序在预料的断点位置停了下来，输出

长度为16时，桶下标为1的key 
1 
16 
35 
50 
长度为32时，桶下标为1的key 
1 
35 
扩容前大小[main]:12

接下来进入扩容流程调试

在 HashMap 源码 594 行加断点

Entry<K,V> next = e.next; // 593
if (rehash) // 594
// ...

这是为了观察 e 节点和 next 节点的状态，Thread-0 单步执行到 594 行，再 594 处再添加一个断点（条件
Thread.currentThread().getName().equals(“Thread-0”)）

这时可以在 Variables 面板观察到 e 和 next 变量，使用 view as -> Object 查看节点状态

e (1)->(35)->(16)->null 
next (35)->(16)->null

在 Threads 面板选中 Thread-1 恢复运行，可以看到控制台输出新的内容如下，Thread-1 扩容已完成

newTable[1] (35)->(1)->null

扩容后大小:13

这时 Thread-0 还停在 594 处， Variables 面板变量的状态已经变化为

e (1)->null 
next (35)->(1)->null

为什么呢，因为 Thread-1 扩容时链表也是后加入的元素放入链表头，因此链表就倒过来了，但 Thread-1 虽然结果正确，但它结束后 Thread-0 还要继续运行

接下来就可以单步调试（F8）观察死链的产生了

下一轮循环到 594，将 e 搬迁到 newTable 链表头

newTable[1] (1)->null 
e (35)->(1)->null 
next (1)->null

下一轮循环到 594，将 e 搬迁到 newTable 链表头

newTable[1] (35)->(1)->null 
e (1)->null 
next null

再看看源码

e.next = newTable[1];
// 这时 e (1,35)
// 而 newTable[1] (35,1)->(1,35) 因为是同一个对象
newTable[1] = e; 
// 再尝试将 e 作为链表头, 死链已成
e = next;
// 虽然 next 是 null, 会进入下一个链表的复制, 但死链已经形成了

1.1 小结

• 究其原因，是因为在多线程环境下使用了非线程安全的 map 集合
• JDK 8 虽然将扩容算法做了调整，不再将元素加入链表头（而是保持与扩容前一样的顺序），但仍不意味着能够在多线程环境下能够安全扩容，还会出现其它问题（如扩容丢数据）

2 JDK 8 ConcurrentHashMap

2.1 重要属性和内部类

// 默认为 0
// 当初始化时, 为 -1
// 当扩容时, 为 -(1 + 扩容线程数)
// 当初始化或扩容完成后，为 下一次的扩容的阈值大小
private transient volatile int sizeCtl;

// 整个 ConcurrentHashMap 就是一个 Node[]
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {}

// hash 表
transient volatile Node<K,V>[] table;

// 扩容时的 新 hash 表
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;

// 扩容时如果某个 bin 迁移完毕, 用 ForwardingNode 作为旧 table bin 的头结点
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {}

// 用在 compute 以及 computeIfAbsent 时, 用来占位, 计算完成后替换为普通 Node
static final class ReservationNode<K,V> extends Node<K,V> {}

// 作为 treebin 的头节点, 存储 root 和 first
static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {}

// 作为 treebin 的节点, 存储 parent, left, right
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {}

2.2 重要方法

// 获取 Node[] 中第 i 个 Node
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i)
 
// cas 修改 Node[] 中第 i 个 Node 的值, c 为旧值, v 为新值
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> c, Node<K,V> v)
 
// 直接修改 Node[] 中第 i 个 Node 的值, v 为新值
static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v)

2.3 构造器分析

可以看到实现了懒惰初始化，在构造方法中仅仅计算了 table 的大小，以后在第一次使用时才会真正创建

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (initialCapacity < concurrencyLevel) // Use at least as many bins
        initialCapacity = concurrencyLevel; // as estimated threads
    long size = (long) (1.0 + (long) initialCapacity / loadFactor);
    // tableSizeFor 仍然是保证计算的大小是 2^n, 即 16,32,64 ... 
    int cap = (size >= (long) MAXIMUM_CAPACITY) ?
            MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int) size);
    this.sizeCtl = cap;
}

2.4 gei流程

public V get(Object key) {
    Node<K, V>[] tab;
    Node<K, V> e, p;
    int n, eh;
    K ek;
    // spread 方法能确保返回结果是正数
    int h = spread(key.hashCode());
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
        // 如果头结点已经是要查找的 key
        if ((eh = e.hash) == h) {
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        // hash 为负数表示该 bin 在扩容中或是 treebin, 这时调用 find 方法来查找
        else if (eh < 0)
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        // 正常遍历链表, 用 equals 比较
        while ((e = e.next) != null) {
            if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

2.5 put流程

以下数组简称（table），链表简称（bin）
见源码

public V put(K key, V value) {

        return putVal(key, value, false);
    }

    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        // 其中 spread 方法会综合高位低位, 具有更好的 hash 性
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node<K, V>[] tab = table; ; ) {
            // f 是链表头节点
            // fh 是链表头结点的 hash
            // i 是链表在 table 中的下标
            Node<K, V> f;
            int n, i, fh;
            // 要创建 table
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                // 初始化 table 使用了 cas, 无需 synchronized 创建成功, 进入下一轮循环
                tab = initTable();
                // 要创建链表头节点
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                // 添加链表头使用了 cas, 无需 synchronized
                if (casTabAt(tab, i, null,
                        new Node<K, V>(hash, key, value, null)))
                    break;
            }
            // 帮忙扩容
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                // 帮忙之后, 进入下一轮循环
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                // 锁住链表头节点
                synchronized (f) {
                    // 再次确认链表头节点没有被移动
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        // 链表
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            // 遍历链表
                            for (Node<K, V> e = f; ; ++binCount) {
                                K ek;
                                // 找到相同的 key
                                if (e.hash == hash &&
                                        ((ek = e.key) == key ||
                                                (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                    oldVal = e.val;
                                    // 更新
                                    if (!onlyIfAbsent)
                                        e.val = value;
                                    break;
                                }
                                Node<K, V> pred = e;
                                // 已经是最后的节点了, 新增 Node, 追加至链表尾
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K, V>(hash, key,
                                            value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        // 红黑树
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            Node<K, V> p;
                            binCount = 2;
                            // putTreeVal 会看 key 是否已经在树中, 是, 则返回对应的 TreeNode
                            if ((p = ((TreeBin<K, V>) f).putTreeVal(hash, key,
                                    value)) != null) {
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            }
                        }
                    }
                    // 释放链表头节点的锁
                }

                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        // 如果链表长度 >= 树化阈值(8), 进行链表转为红黑树
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        // 增加 size 计数
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

    private final Node<K, V>[] initTable() {
        Node<K, V>[] tab;
        int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                Thread.yield();
                // 尝试将 sizeCtl 设置为 -1（表示初始化 table）
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                // 获得锁, 创建 table, 这时其它线程会在 while() 循环中 yield 直至 table 创建
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                        int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                        Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n];
                        table = tab = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;
            }
        }
        return tab;
    }

    // check 是之前 binCount 的个数
    private final void addCount(long x, int check) {
        CounterCell[] as;
        long b, s;
        if (
            // 已经有了 counterCells, 向 cell 累加
                (as = counterCells) != null ||
                        // 还没有, 向 baseCount 累加
                        !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)
        ) {
            CounterCell a;
            long v;
            int m;
            boolean uncontended = true;
            if (
                // 还没有 counterCells
                    as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                            // 还没有 cell
                            (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
                            // cell cas 增加计数失败
                            !(uncontended = U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))
            ) {
                // 创建累加单元数组和cell, 累加重试
                fullAddCount(x, uncontended);
                return;
            }
            if (check <= 1)
                return;
            // 获取元素个数
            s = sumCount();
        }
        if (check >= 0) {
            Node<K, V>[] tab, nt;
            int n, sc;
            while (s >= (long) (sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                    (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
                int rs = resizeStamp(n);
                if (sc < 0) {
                    if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                            sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                            transferIndex <= 0)
                        break;
                    // newtable 已经创建了，帮忙扩容
                    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                        transfer(tab, nt);
                }
                // 需要扩容，这时 newtable 未创建
                else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                        (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                    transfer(tab, null);
                s = sumCount();
            }
        }
    }

2.8 size 计算流程

size 计算实际发生在 put，remove 改变集合元素的操作之中

• 没有竞争发生，向 baseCount 累加计数
• 有竞争发生，新建 counterCells，向其中的一个 cell 累加计数
  • counterCells 初始有两个 cell
  • 如果计数竞争比较激烈，会创建新的 cell 来累加计数

public int size() {
    long n = sumCount();
    return ((n < 0L) ? 0 :
            (n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
                    (int)n);
}
final long sumCount() {
    CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
    // 将 baseCount 计数与所有 cell 计数累加
    long sum = baseCount;
    if (as != null) {
        for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
            if ((a = as[i]) != null)
                sum += a.value;
        }
    }
    return sum; 
}

Java 8 数组（Node） +（ 链表 Node | 红黑树 TreeNode ） 以下数组简称（table），链表简称（bin）

• 初始化，使用 cas 来保证并发安全，懒惰初始化 table
• 树化，当 table.length < 64 时，先尝试扩容，超过 64 时，并且 bin.length> 8 时，会将链表树化，树化过程会用 synchronized 锁住链表头
• put，如果该 bin 尚未创建，只需要使用 cas 创建 bin；如果已经有了，锁住链表头进行后续 put 操作，元素添加至 bin 的尾部
• get，无锁操作仅需要保证可见性，扩容过程中 get 操作拿到的是 ForwardingNode 它会让 get 操作在新table 进行搜索
• 扩容，扩容时以 bin 为单位进行，需要对 bin 进行 synchronized，但这时妙的是其它竞争线程也不是无事可做，它们会帮助把其它 bin 进行扩容，扩容时平均只有 1/6 的节点会把复制到新 table 中
• size，元素个数保存在 baseCount 中，并发时的个数变动保存在 CounterCell[] 当中。最后统计数量时累加即可

3 JDK 7 ConcurrentHashMap

它维护了一个 segment 数组，每个 segment 对应一把锁

• 优点：如果多个线程访问不同的 segment，实际是没有冲突的，这与 jdk8 中是类似的
• 缺点：Segments 数组默认大小为16，这个容量初始化指定后就不能改变了，并且不是懒惰初始化

3.1 构造器分析

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;
    // ssize 必须是 2^n, 即 2, 4, 8, 16 ... 表示了 segments 数组的大小
    int sshift = 0;
    int ssize = 1;
    while (ssize < concurrencyLevel) {
        ++sshift;
        ssize <<= 1;
    }
    // segmentShift 默认是 32 - 4 = 28
    this.segmentShift = 32 - sshift;
    // segmentMask 默认是 15 即 0000 0000 0000 1111
    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;
    // 创建 segments and segments[0]
    Segment<K,V> s0 =
            new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                    (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
    Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
    UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
    this.segments = ss; 
}

构造完成，如下图所示

可以看到 ConcurrentHashMap 没有实现懒惰初始化，空间占用不友好

其中 this.segmentShift 和 this.segmentMask 的作用是决定将 key 的 hash结果匹配到哪个 segment

例如，根据某一 hash 值求 segment 位置，先将高位向低位移动 this.segmentShift 位

3.2 put 流程

public V put(K key, V value) {
    Segment<K,V> s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    // 计算出 segment 下标
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;

    // 获得 segment 对象, 判断是否为 null, 是则创建该 segment
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject
            (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) {
        // 这时不能确定是否真的为 null, 因为其它线程也发现该 segment 为 null,
        // 因此在 ensureSegment 里用 cas 方式保证该 segment 安全性
        s = ensureSegment(j);
    }
    // 进入 segment 的put 流程
    return s.put(key, hash, value, false);
}

segment 继承了可重入锁（ReentrantLock），它的 put 方法为

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 尝试加锁
    HashEntry<K, V> node = tryLock() ? null :
            // 如果不成功, 进入 scanAndLockForPut 流程
            // 如果是多核 cpu 最多 tryLock 64 次, 进入 lock 流程
            // 在尝试期间, 还可以顺便看该节点在链表中有没有, 如果没有顺便创建出来
            scanAndLockForPut(key, hash, value);

    // 执行到这里 segment 已经被成功加锁, 可以安全执行
    V oldValue;
    try {
        HashEntry<K, V>[] tab = table;
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        HashEntry<K, V> first = entryAt(tab, index);
        for (HashEntry<K, V> e = first; ; ) {
            if (e != null) {
                // 更新
                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 {
                // 新增
                // 1) 之前等待锁时, node 已经被创建, next 指向链表头
                if (node != null)
                    node.setNext(first);
                else
                    // 2) 创建新 node
                    node = new HashEntry<K, V>(hash, key, value, first);
                int c = count + 1;
                // 3) 扩容
                if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                    rehash(node);
                else
                    // 将 node 作为链表头
                    setEntryAt(tab, index, node);
                ++modCount;
                count = c;
                oldValue = null;
                break;
            }
        }
    } finally {
        unlock();
    }
    return oldValue;
}

3.3 rehash(扩容) 流程

发生在 put 中，因为此时已经获得了锁，因此 rehash 时不需要考虑线程安全

private void rehash(HashEntry<K, V> node) {
    HashEntry<K, V>[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    int newCapacity = oldCapacity << 1;
    threshold = (int) (newCapacity * loadFactor);
    HashEntry<K, V>[] newTable =
            (HashEntry<K, V>[]) new HashEntry[newCapacity];
    int sizeMask = newCapacity - 1;
    for (int i = 0; i < oldCapacity; i++) {
        HashEntry<K, V> e = oldTable[i];
        if (e != null) {
            HashEntry<K, V> next = e.next;
            int idx = e.hash & sizeMask;
            if (next == null) // Single node on list
                newTable[idx] = e;
            else { // Reuse consecutive sequence at same slot
                HashEntry<K, V> lastRun = e;
                int lastIdx = idx;
                // 过一遍链表, 尽可能把 rehash 后 idx 不变的节点重用
                for (HashEntry<K, V> last = next;
                     last != null;
                     last = last.next) {
                    int k = last.hash & sizeMask;
                    if (k != lastIdx) {
                        lastIdx = k;
                        lastRun = last;
                    }
                }
                newTable[lastIdx] = lastRun;
                // 剩余节点需要新建
                for (HashEntry<K, V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
                    V v = p.value;
                    int h = p.hash;
                    int k = h & sizeMask;
                    HashEntry<K, V> n = newTable[k];
                    newTable[k] = new HashEntry<K, V>(h, p.key, v, n);
                }
            }
        }
    }
    // 扩容完成, 才加入新的节点
    int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
    node.setNext(newTable[nodeIndex]);
    newTable[nodeIndex] = node;

    // 替换为新的 HashEntry table
    table = newTable;
}

3.4 get 流程

get 时并未加锁，用了 UNSAFE 方法保证了可见性，扩容过程中，get 先发生就从旧表取内容，get 后发生就从新表取内容

public V get(Object key) {
    Segment<K, V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
    HashEntry<K, V>[] tab;
    int h = hash(key);
    // u 为 segment 对象在数组中的偏移量
    long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
    // s 即为 segment
    if ((s = (Segment<K, V>) UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
            (tab = s.table) != null) {
        for (HashEntry<K, V> e = (HashEntry<K, V>) 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;
}

3.5 size 计算流程

• 计算元素个数前，先不加锁计算两次，如果前后两次结果如一样，认为个数正确返回
• 如果不一样，进行重试，重试次数超过 3，将所有 segment 锁住，重新计算个数返回

public int size() {
    // Try a few times to get accurate count. On failure due to
    // continuous async changes in table, resort to locking.
    final Segment<K, V>[] 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) {
                // 超过重试次数, 需要创建所有 segment 并加锁
                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<K, V> 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;
}