jdk8 ConcurrentHashMap 源码解析

why

今天面试新同学， 整理面试题的时候， 看到ConcurrentHashMap, 很久之前了解过， 记得是按segment分段锁提高并发效率，jdk8重写了这个类， 平常业务代码中用到的也比较少， 忽略了，今天重新拾起来看一下， 做一个笔记， 有错误之处， 欢迎批评指正

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jdk7 和 jdk8 的差异

jdk7 使用 ReentrantLock + segment + hashentry + unsafe
jdk8 使用 Synchronized + CAS + Node + NodeTree + Unsafe

重点方法

从两个最重要的方法说起， get, put

先说重点put方法， 对于并发而言， 读取比较简单，不涉及到数据改动， 就不需要锁。了解在put数据逻辑就能更清楚的知道ConcurrentHashMap是如何工作的

put 方法

采用无限循环逻辑，检查table中当前下标的值

1. 检查table 是否初始， 没有的话初始化table，重新循环
2. 根据hash值模运算，计算出数组下标， 取出数组下标所在的值，如果值是null， 则用CAS设置到该下标处， 如果设置成功结束， 如果设置失败（失败原因可能是其它线程设置该下标的值） 重新循环
3. 待定
4. 如果当前下标的值不为空，进入同步代码块

• 再次检查当前下标的值是否有改变，有改变结束当前，重新循环， 没有改变且是链表情况，逻辑比较好理解取出下标的值， 比较key 是否相当， 相等则设置新值， 不相等挂载链表， 同时记录链表长度
• 如果是红黑树，则把值设置到红黑树（红黑树这里不做展开）
• 根据链表长度，判断是否需要转换成红黑树， 默认阀值是8

上图更清晰

源码（关键部分加了注释）

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node[] tab = table;;) {
            Node f; int n, i, fh;
            // 如果table为空， 初始化table, 详见下面
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
            // 判断当前hash 的位置有没有值，没有值， 直接使使cas 无阻塞设置
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                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)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                // 只是锁住单个对象， 锁粒度更小
                synchronized (f) {
                    // 再次检查是否有变更
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        // 如果这个节点hash 值不为0， 意思是当前节点为普通节点的时候， 这里应该比较容易理解， 比较hash 值， key equals 是否相等， 如果hash 冲突就添加链表， 记录链表长度(binCount)，之后会根据长度调整， 是否使用红黑树代替链表
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            for (Node e = f;; ++binCount) {
                                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;
                                }
                            }
                        }
                        // 如果已经是树结构， 就按照树的结构来了
                        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;
                            }
                        }
                    }
                }
                // 检查说阀值，默认是8， 超过会转换成树
                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

get 方法(注释说明)

get 方法相对简洁很多， 主要逻辑已经put方法中处理

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;
            }
            // node 是红黑树时，查找对应节点
            else if (eh < 0)
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
                
            // 为链表时， 循环找出对应节点
            while ((e = e.next) != null) {
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }

初始化map底层数组 table（选读）

需要了解的两个前置基本概念

1. Unsafe

简单讲一下这个类。Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。

这个类尽管里面的方法都是public的，但是并没有办法使用它们，JDK API文档也没有提供任何关于这个类的方法的解释。总而言之，对于Unsafe类的使用都是受限制的，只有授信的代码才能获得该类的实例，当然JDK库里面的类是可以随意使用的。

2. CAS

CAS，Compare and Swap即比较并交换，设计并发算法时常用到的一种技术，java.util.concurrent包全完建立在CAS之上，没有CAS也就没有此包，可见CAS的重要性。

当前的处理器基本都支持CAS，只不过不同的厂家的实现不一样罢了。CAS有三个操作数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false。

3. 源码

初始化数组大小时，没有加锁，因为用了个 sizeCtl 变量，将这个变量置为-1，就表明table正在初始化。

private final Node[] initTable() {
        Node[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // sizeCtl: table 初始化和resize的标志位，表初始化和调整大小控件。当为负值时，将初始化或调整表的大小
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                // 如果是-1 表示正在初始化或者调整大小， 这时放弃cpu使用， 进行下一次循环检查
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
            // 设置SIZECTL为-1，设置成功开始初始化， 不成功继续循环。  
            // compareAndSwapInt 非阻塞同步原语： arg0, arg1, arg2, arg3 分别为对象实例，目标对象属性，当前预期值，要设的值, 设置成功返回 true, 失败 false
            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);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;
            }
        }
        return tab;
    }

总结

1. 用 Synchronized + CAS + Node + NodeTree 代替 Segment ，只有在hash 冲突， 或者修改已经值的时候才去加锁， 锁的粒度更小，大幅减少阻塞

2. 链表节点数量大于8时，会将链表转化为红黑树进行存储，查询时间复杂度从O(n)，变成遍历红黑树O(logN)。

之前也看过几篇别的几篇关于ConcurrentHashMap 的贴子， 看完之后容易忘记， 看源码就像精读书一样， 如果能仔细看一遍，理解了，就能熟记于心， 写中间件， 底层的同学更值得读一下