ConCurrentHashMap

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一、顶部注释分析

1.1 数据结构

1.1.1 JDK1.7实现

• 在 JDK1.7中，ConcurrentHashMap 通过“锁分段”来实现线程安全
• 通过将哈希表分成许多片段 (segments) ，每一个片段 (table) 都类似于 HashMap，有一个HashEntry 数组，数组的每项又是 HashEntry 组成的链表
• Segment 继承了ReentrantLock，所以 Segment 本质上是一个可重入的互斥锁
• 在访问某个键值对时，需要先获取该键值对所在的 segment 上的锁，获取锁后，其他线程就不能访问此segment了，但可以访问其他的segment，从而避免了把整个哈希表都锁住

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1.1.2 JDK1.8实现

• JDK1.8中放弃了锁分段的方式，结构和 HashMap 相同，也是数组+链表+红黑树的方式
• 但是通过 CAS 和部分加锁的方式来实现线程安全

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1.2 从注释中得到的结论

• A hash table supporting full concurrency of retrievals and high expected concurrency for updates：ConcurrentHashMap 是一个支持高并发检索和更新的哈希表
• ConcurrentHashMap 是线程安全的，但不是靠阻塞和封锁整个哈希表来实现的
• get 操作不是阻塞的，因此可以和一些更新操作并行，如 put 和 remove
• 一些和统计相关的方法，如 size、isEmpty、containsValue 最好在单线程环境下使用，在多线程环境下只能反应一个暂时的状态，可用于估计或监视，但可能无法返回准确值，除非此时没有发生并发的修改
• 当散列碰撞过多时，ConcurrentHashMap 会动态增长。但是扩容非常消耗资源，因此最好提前估计好容量
• ConcurrentHashMap 不允许 key 或 value 为 null

二、源码分析

2.1 定义

public class ConcurrentHashMap extends AbstractMap 
        implements ConcurrentMap, Serializable

• ConcurrentHashMap：HashMap 是以 key-value 形式存储数据的
• extends AbstractMap：继承自 AbstractMap，大大减少了实现 Map 接口时需要的工作量
• implements ConcurrentMap：实现了 ConcurrentMap 接口，一个提供线程安全性和原子性保证的 Map
• implements Serializable：可以序列化

2.2 字段

// 哈希表数组，用volatile修饰，大小总是为2的整数次幂
transient volatile Node[] table;

// 基础计数器，通过CAS来更新
 private transient volatile long baseCount;
 
/** 
 * 用于控制初始化和扩容
 * 当为负数时，表示正在进行初始化或扩容操作：
 *    -1 表示正在初始化
 *    -N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作
 * 
 * 默认值为0
 * 当初始化之后，保存下一次的扩容值
 */
private transient volatile int sizeCtl;

// 用于计算size
private transient volatile CounterCell[] counterCells

2.3 Node静态内部类

• 与 HashMap 中的 Node 相似，但有如下区别：
  1. 对 value 和 next 属性设置了 volatile 同步锁；
  2. 不允许调用 setValue 方法直接改变 Node 的 value，否则会抛出异常
  3. 增加了 find 方法用于辅助 get 方法

static class Node implements Map.Entry 
{
    final int hash;
    final K key;
    volatile V val;
    volatile Node next;

    Node(int hash, K key, V val, Node next) 
    {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.val = val;
        this.next = next;
    }
    
    public final V setValue(V value) 
    {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    Node find(int h, Object k) 
    {
        Node e = this;
        if (k != null) {
            do {
                K ek;
                if (e.hash == h && 
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
        return null;
    }
}

2.4 构造方法

1. public ConcurrentHashMap()：构建一个空ConcurrentHashMap，默认容量为16
2. public ConcurrentHashMap(int initialCapacity)：构建一个空ConcurrentHashMap并根据参数设置下次扩容值
3. public ConcurrentHashMap(Map m)：根据给定的 Map 进行构建
4. public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor)：根据给定的参数设置下次扩容值和加载因子，默认并行度为1
5. public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel)：根据给定的参数设置下次扩容值和加载因子，且容量至少为估计的线程数 concurrencyLevel

2.5 put 操作

2.5.1 put 方法大致步骤

1. 计算 key 的哈希值；
2. 如果 table 数组为空，则先进行初始化 (2.5.2节)；
3. 根据 hash 值计算出 key 在表中所处的位置，即 (n - 1) & hash：

• 如果该位置没有值 ，则直接放入，且不需要加锁；
• 如果插入位置是连接点，说明正在进行扩容，则帮助当前线程扩容；
• 否则加锁，然后根据链表或树结构遍历查找 key 值，找到则进行更新，否则新增节点插入；

4. 与 HashMap 类似，若链表长度超过阈值，则转为红黑树；
5. 如果操作3中执行的是替换操作，返回被替换的value；
6. 否则说明节点是被新插入的，因此将元素数量加1

整个过程中只有3中的第三步需要加锁，从而提高并行性能

2.5.2 初始化 table 数组

• 调用 ConcurrentHashMap 的构造方法仅仅只是设置了一些参数，而整个 table 的初始化是在向其中插入元素的时候发生的，例如 put 方法
• 初始化方法主要应用了关键属性 sizeCtl，如果 sizeCtl < 0，表示其他线程正在进行初始化，就放弃操作，从而保证只让一个线程对 table 进行初始化
• 如果获得了初始化权限，就先用 CAS 方法将 sizeCtl 置为-1，防止后续其他线程进入
• 初始化完成后，将 sizeCtl 的值设为n - (n >>> 2))，即 0.75 × n

private final Node[] initTable() 
{
    Node[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) 
    {
        // 其他线程正在进行初始化
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) 
        {
            try 
            {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) 
                {
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node[] nt = (Node[])new Node[n];
                    table = tab = nt;
                    sc = n - (n >>> 2); // 0.75 × n
                }   
            } 
            finally 
            {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

2.6 get 操作

• get 方法没有进行加锁，其大致步骤为：
  1. 计算 key 的哈希值；
  2. 根据哈希值查找节点位置；
  3. 如果节点直接在桶的头节点上，则直接返回；
  4. 否则说明有碰撞，根据树形结构或链表结构使用不同的方法继续查找；
  5. 如果找到则返回对应值，否则返回 null

// 从源码中可以看出，get方法没有加锁

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)
            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;
}