JAVA并发编程之ConcurrentHashMap详解

ConcurrentHashMap

一、ConcurrentHashMap写入数据流程

一般在项目中使用ConcurrentHashMap时，都是作为JVM缓存使用的。

ConcurrentHashMap是线程安全的。如果你项目涉及到了多个线程都会操作key-value结构时，别用HashMap，一定要上ConcurrentHashMap。

在方法局部内，只有当前线程使用时，才可以用HashMap。

ConcurrentHashMap的存储结构？

存储结构是数组 + 链表 + 红黑树。

put操作流程：

• 将key进行散列运算，计算出具体的hash值。后面要基于这个hash值确定数据存放的索引位置。
• 循环开始-------------------------------------------------------------------
• 查看ConcurrentHashMap的 数组是否已经初始化 。（数组全局唯一，懒加载）
  • 初始化就继续尝试存放数据。
  • 没初始化，那就先尝试将数组new出来。
• 基于hash值，确认数据要存放的索引位置 。
  • 如果数组索引位置没数据，将当前数据扔进去。优先将key-value封装为一个Node对象。这里为了保证线程安全， 直接采用CAS的方式，将当前索引位置的null替换为指定的Node数据 。
    • 如果CAS成功，循环结束
    • 如果CAS失败，重新走循环
  • 如果数组索引有数据，往后走其他流程
• 如果有数据，查看当前数据的状态 是否是扩容的情况 。MOVED（hash = -1）
  • 如果正在扩容，当前线程去 协助扩容 ，加快扩容速度。协助扩容结束后，重新走循环。
• 如果有数据，没有扩容操作影响到当前线程。
  • 加锁，基于数组索引位置的Node对象作为 synchronized的锁 。
    • 将数据 挂到链表的末端 。
      • 添加数据到链表后，会查看链表长度，是否达到了8个，就需要尝试链表转红黑树 。CHM要求必须数组长度 ≥ 64 && 链表长度达到8才会转换。
    • 将数据 添加到红黑树 结构中。TREEBIN（hash = -2）
• 循环结束---------------------------------------------------------------------
• 需要记录元素个数，为了保证线程安全，这里采用了 LongAdder做计数器 。
• 添加数据结束。

二、ConcurrentHashMap扩容流程&协助扩容

ConcurrentHashMap扩容操作只有两个事情：

• 构建新数组，长度是老数组长度的二倍。（new）
• 将老数组中的数据，迁移到新数组中。

区分第一个来扩容和协助扩容的方式：

为了区分谁是第一个来扩容的线程，谁是来协助扩容的线程，需要掌握一个属性，这个属性就是sizeCtl

private transient volatile int sizeCtl;

第一个来扩容的线程会优先修改sizeCtl的值，将其修改为一个＜-1的值。

其他所有来协助扩容的线程，发现sizeCtl＜-1，直接对sizeCtl做 + 1操作，代表我来扩容了。

修改sizeCtl的操作，是基于CAS完成的。

第一个来扩容的线程，由他去初始化新数组，并且做迁移数据的操作。协助扩容的线程，就是来帮忙将老数组的数据迁移到新数组的。

---

整体扩容的流程（以第一个来扩容的线程）

• 计算每次迁移多长索引位置的数据到新数组（ 步长 ），会根据CPU内核数和数组长度来计算，最小是16。
• 会由 第一个来扩容的线程 ， 初始化新数组 ，长度为原来的二倍。
• 迁移数据循环开始-------------------------------------------------------------------------
  • 扩容的线程开始 领取迁移数据的任务 。
    • 领取到任务的，准备干活。
    • 没领取到任务，可以退出扩容
  • 没领取到的查看一下， 扩容结束了么？
    • 结束了，说明当前线程是最后一个退出扩容的线程， 整体检查一遍 ，退出滴干活。
    • 没结束呢，sizeCtl - 1 ，退出的滴干活。
  • 领取到迁移数据操作，在迁移任务中某一个索引位置时，会有不同的情况
    • 当前 索引位置没数据 ，直接仍一个MOVED（hash = -1）
    • 当前 索引位置是MOVED ，啥事不做。（扩容操作最后会有一个大检查）
    • 当前位置有数据，锁住当前位置：
      • 链表迁移新数组
      • 红黑树迁移到新数组 （红黑树会保留一个双向链表，利用双向链表迁移的）
• 迁移数据循环结束-------------------------------------------------------------------------

三、ConcurrentHashMap查询数据流程

ConcurrentHashMap本来就是作为JVM缓存使用的，对查询速度要求极高。所以在ConcurrentHashMap中 查询操作永远不会阻塞 。无论什么情况，都能去查数据。

查询数据的操作无非就是几种情况：

• 数据在数组上呢，查的嗷嗷快。
• 数据在链表上呢，next，next的找，找到返回。
• 如果数组上的Node是MOVED状态， 代表数据已经迁移到新数组上了，直接去新数组上查询数据 。
• 如果数组上的Node是RESERVED状态， 代表当前位置被占了，但是value还在计算中，返回null 。
• 数据在红黑树上呢：
  • 如果此时 有写线程正在平衡红黑树或者是等待平衡红黑树，那么读线程会去查询保留的双向链表 。
  • 如果此时 没有写线程正在平衡或等待平衡操作，直接去红黑树中找数据 。（如果此时有写线程想操作红黑树，那么需要等到读线程完毕后，才可以操作）

lockState == 1：有写线程正在平衡红黑树。

lockState == 2：代表写线程在等着平衡红黑树。

lockState >= 4：代表有读线程在读取红黑树中的数据。（读线程来读数据，就对lockState + 4）

红黑树是一个平衡的二叉树，怎么保持平衡的？

为了保证平衡，写操作可能会旋转某个节点，导致节点的指针发生变化。如果此时读线程在红黑树中遍历找数据，结果写线程改变了红黑树的指针，导致无法找到对应的数据。