今天来介绍大名鼎鼎的ConcurrentHashMap,众所周知,Java.Utils.Concurrent包出现后,就立马成为高并发的利器,而靠一己之力把此包写出来的Doug Lea,则更是高并发大神。此篇文章仅仅限于描述ConcurrentHashMap冰山一角,并不能对其全面剖析,如果有读者想要对并发进行更深入的理解与交流，推荐《Java并发编程的艺术》,笔者看完很有感悟。
此文还是从最简单也是最常用的get,put方法来进行剖析,进而逐步抽丝剥茧,分析此类的全貌。理解此文章需要读者有HashMap的基础,且建议读者在阅读此文章时,脑中一定要两个甚至多个线程的概念,切勿以单线程模型来思考。
从注释可以得知所有参数都不可以为null. 与HashMap不同
All arguments to all task methods must be non-null
ConcurrentHashMap.put()
/**
* Maps the specified key to the specified value in this table.
* Neither the key nor the value can be null.
*
* The value can be retrieved by calling the {@code get} method
* with a key that is equal to the original key.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with {@code key}, or
* {@code null} if there was no mapping for {@code key}
* @throws NullPointerException if the specified key or value is null
*/
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
可以看到put函数只是简单调用了putVal这个函数,那么继续往下
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();//参数检测异常
int hash = spread(key.hashCode()); //Rehash
int binCount = 0;
for (Node[] tab = table;;) {//死循环
Node f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();//第一次进来,初始化table
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {//1 此位置上还没有元素插入,则利用cas锁,
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)//2
tab = helpTransfer(tab, f);
else { // 3
V oldVal = null;
synchronized (f) {//3.1
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node e = f;; ++binCount) {//3.2
K ek;
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {
Node p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
else if (f instanceof ReservationNode)
throw new IllegalStateException("Recursive update");
}
}
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
由上图源码可知,死循环+四个if else就是整个put函数的核心实现。四个if else分别对应如下功能
如果table为空,则初始化table（可以理解为一个数组,其实此处初始化也别有洞天,因为要防止多个线程同时初始化,有兴趣的读者可以自己去研究一下,看看Doug Lea是用了什么方式,防止table被多次初始化）
注释1处的,如果数组对应的索引位置处还没有元素,则利用casTabAt进行放置key,value 此处主要有两点需要注意:
1 tabAt是利用的unSafe类里的getObjectVolatile(),熟悉Volatile关键字的同学肯定知道,这是获取该对象在内存中最新的值。(即同时有多个线程修改此变量,则JVM happen-before原则能够帮助我们获取到最新的值)。该对象即是table对应索引处的node对象。
static final Node tabAt(Node[] tab, int i) {
return (Node)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
2 如果casTabAt成功,则put成功,break掉死循环。 casTabAt()也是利用了UnSafe类里的compareAndSwapObject函数,关于此类可以多说几句,此类是Java用来利用CAS锁机制而现实的一个接口类。(各位同学一定要弄明白,CAS锁其实不需要上层做任何操作,它的可靠性是由底层硬件指令来保证的,上层只是调用)，返回一个boolean。即如果插入失败,则重试。为什么会插入失败,各位可以思考一下。
static final boolean casTabAt(Node[] tab, int i,
Node c, Node v) {
return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
static final void setTabAt(Node[] tab, int i, Node v) {
U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}
3 注释2处，此处判断是否正处于转移中,如果要插入的位置,正在转移,也就是整个table正处于扩容阶段,则帮助其转移。
-
4 注释3处，Put函数的核心。如果走到此分支,则证明
- table已然初始化过。
- table对应索引位置上已经有元素
- table并没有扩容或者转移
所以,此时,我们可以进行插入，那如何确保插入操作的原子性呢？注意3.1处的synchronized 关键字,将f作为锁,保证原子性。下面又进行了一次判断,为什么在此处需要判断呢？大家想想单例模式的DCL 应该就能懂了。继续往下看,里面又有三个if else的判断,此处由于篇幅关系,仅分析第一个if(fh >= 0),剩下两个if else读者可自行分析（相对比较简单）。
注释3.2处可知,又是个死循环，此处的逻辑与HashMap的大概相同,如果找到key相同的元素,则替换其Value。如果没找到,则将其加入到链表的最后一位。跳出内层死循环,判断查询次数是否大于阈值,然后跳出外层死循环,返回。
到此整个ConcurrentHashMap的Put函数分析就结束了,是不是很简单呢?那是因为我们没有分析put函数里两个较为硬核的addCount()与helpTransfer()函数。
总结 ConcurrentHashMap put函数的精髓就在于利用CAS替换所在位置,与锁住链表表头（或者是红黑树的root节点）,进行修改。如果有同学接触过数据库,则会联系到此实现类似于数据库的行级锁。其优点是,降低的锁的粒度,提高了并发的效率。其缺点 则是非绝对的线程安全。
“当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替进行，并且在主调
代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么称这个类是绝对的线程安全的。”
接下来继续看Get函数。
ConcurrentHashMap.get()
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* More formally, if this map contains a mapping from a key
* {@code k} to a value {@code v} such that {@code key.equals(k)},
* then this method returns {@code v}; otherwise it returns
* {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
*
* @throws NullPointerException if the specified key is null
*/
public V get(Object key) {
Node[] tab; Node e, p; int n, eh; K ek;
int h = spread(key.hashCode());
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0)//注释1
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
额，到这里感觉没什么可讲的,因为读模式的话基本不涉及到线程变量冲突的问题,所以大家也可以看到get函数跟hashmap的get函数相差并不大。
也是简单的条件判断,然后查询key对应的node是否存在。
稍微有点区别的就是注释1处了。