ConcurrentHashMap原理解析
JDK1.8
初始化方法
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;
}
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
/**
* Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
*/
private final Node[] initTable() {
Node[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
// 如果 sizeCtl < 0 ,说明另外的线程执行CAS 成功，正在进行初始化。
if ((sc = sizeCtl) < 0)
// 让出 CPU 使用权
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);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
在初始状态下，table为null，sizeCtl为0。当第一个元素被插入时，会根据并发级别（Concurrency Level）计算出数组的长度，并使用CAS操作将数组初始化为对应长度的桶。
-
根据 key 计算出 hashcode 。
-
判断是否需要进行初始化。
-
即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。
-
如果当前位置的
hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。 -
如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。
-
如果数量大于
TREEIFY_THRESHOLD则要执行树化方法，在treeifyBin中会首先判断当前数组长度 ≥64 时才会将链表转换为红黑树
put方法
-
根据 key 计算出 hashcode 。
-
判断是否需要进行初始化。
-
即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。
-
如果当前位置的
hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。 -
如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。
-
如果数量大于
TREEIFY_THRESHOLD则要执行树化方法，在treeifyBin中会首先判断当前数组长度 ≥64 时才会将链表转换为红黑树。 -
put方法中有扩容方法，需要对 bin 进行 synchronized。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
Get方法
- 根据 hash 值计算位置。
- 查找到指定位置，如果头节点就是要找的，直接返回它的 value.
- 如果头节点 hash 值小于 0 ，说明正在扩容或者是红黑树，查找之。
- 如果是链表，遍历查找之。
Size方法
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;
}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。
JDK1.7
static final class HashEntry {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry next;
HashEntry(int hash, K key, V value, HashEntry next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
}
static final class Segment extends ReentrantLock implements Serializable {
static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;
transient volatile HashEntry[] table;
transient int count;
transient int modCount;
transient int threshold;
final float loadFactor;
}
每个Segment都是一个继承自ReentrantLock的可重入锁，具备独立的线程安全性。table是Segment内部的HashEntry数组，用于存储键值对。count表示当前Segment中的元素数量，modCount用于记录修改次数，threshold表示扩容的阈值，loadFactor表示加载因子。
初始化方法
@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
// 参数校验
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 校验并发级别大小，大于 1<<16，重置为 65536
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
// 2的多少次方
int sshift = 0;
int ssize = 1;
// 这个循环可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
// 记录段偏移量
this.segmentShift = 32 - sshift;
// 记录段掩码
this.segmentMask = ssize - 1;
// 设置容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// c = 容量 / ssize ，默认 16 / 16 = 1，这里是计算每个 Segment 中的类似于 HashMap 的容量
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
//Segment 中的类似于 HashMap 的容量至少是2或者2的倍数
while (cap < c)
cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
// 创建 Segment 数组，设置 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;
}
- 必要参数校验。
- 校验并发级别
concurrencyLevel大小，如果大于最大值，重置为最大值。无参构造默认值是 16. - 寻找并发级别
concurrencyLevel之上最近的 2 的幂次方值，作为初始化容量大小，默认是 16。 - 记录
segmentShift偏移量，这个值为【容量 = 2 的 N 次方】中的 N，在后面 Put 时计算位置时会用到。默认是 32 - sshift = 28. - 记录
segmentMask，默认是 ssize - 1 = 16 -1 = 15. - 初始化
segments[0]，默认大小为 2，负载因子 0.75，扩容阀值是 2*0.75=1.5，插入第二个值时才会进行扩容。
put方法
public V put(K key, V value) {
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key.hashCode());
int segmentIndex = getSegmentIndex(hash);
return segments[segmentIndex].put(key, hash, value, false);
}
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
lock(); // 获取当前Segment的锁
try {
int c = count;
if (c++ > threshold) // 判断是否需要扩容
rehash();
HashEntry[] tab = table;
int index = hash & (tab.length - 1);
HashEntry first = tab[index];
HashEntry e = first;
while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
e = e.next;
V oldValue;
if (e != null) { // 键存在，更新值
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent)
e.value = value;
} else { // 键不存在，创建新节点并添加到链表头部
oldValue = null;
++modCount;
tab[index] = new HashEntry(hash, key, value, first);
count = c; // 更新元素数量
}
return oldValue;
} finally {
unlock(); // 释放当前Segment的锁
}
}
在put操作中，首先通过hash函数计算键的散列值hash，然后根据散列值获取对应的Segment。接着，通过Segment的锁保证了当前操作的线程安全。
在获取到Segment的锁之后，首先判断当前Segment中的元素数量count是否超过了阈值threshold，如果超过了则进行扩容。然后通过散列值和数组长度计算出键对应的索引位置index，并从对应的链表开始遍历，寻找是否存在相同的键。
如果找到了相同的键，则更新对应的值；如果没有找到相同的键，则创建一个新的HashEntry节点，并将其添加到链表的头部。在完成操作后，释放Segment的锁。
get 流程
public V get(Object key) {
Segment s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry[] 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)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
for (HashEntry e = (HashEntry) 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;
}
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。
- 计算得到 key 的存放位置。
- 遍历指定位置查找相同 key 的 value 值。
size方法
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[] 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 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;
}
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
摘自 黑马程序员，JavaGuide，结合底层源码介绍ConcurrentHashMap如何保证线程安全，佬会爱上这篇文章嘛-CSDN博客