Java 7之多线程并发容器 - ConcurrentHashMap
与HashMap一样，ConcurrentHashMap也是一个基于散列的Map，但是它使用了锁分段的技术来提供更高的并发性和伸缩性。
锁分段就是进一步对一组独立的对象进行分解。例如，在ConcurrentHashMap的实现中使用了一个包含16个锁的数组，每个锁保护所有散列桶的1/16，其实第N个散列桶由第(N mod 16)个锁来保护。所以这个并发集合可以支持多达16个并发的写入器。
首先举个例子：
public class StripedMap {
// Synchronization policy: buckets[n] guarded by locks[n%N_LOCKS]
private static final int N_LOCKS = 16; // 并发锁的数量
private final Node[] buckets; // 散列桶
private final Object[] locks; // 锁数组
private static class Node { // 链表中的节点
Node next;
Object key;
Object value;
}
public StripedMap(int numBuckets) { // 构造函数
buckets = new Node[numBuckets];
locks = new Object[N_LOCKS];
for (int i = 0; i < N_LOCKS; i++)
locks[i] = new Object();
}
private final int hash(Object key) { // 计算值的存储位置，相当于散列函数
return Math.abs(key.hashCode() % buckets.length);
}
public Object get(Object key) {
int hash = hash(key);
synchronized (locks[hash % N_LOCKS]) { // 计算出由哪个锁来保护这个散列桶
for (Node m = buckets[hash]; m != null; m = m.next) // 遍历这个散列桶，找到需要的值
if (m.key.equals(key))
return m.value;
}
return null;
}
public void clear() {
for (int i = 0; i < buckets.length; i++) {
synchronized (locks[i % N_LOCKS]) { // 将锁分段中的值清空
buckets[i] = null;
}
}
}
}
如上使用了锁分段技术简单实现了一个Map并发容器，但是与采用单个锁来实现独占访问相比，要获取多个锁来实现独占访问将更加困难并且开销更高。例如有些方法需要跨段，如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁。这里“按顺序”是很重要的，否则极有可能出现死锁，在ConcurrentHashMap内部，段数组是final的，并且其成员变量实际上也是final的，但是，仅仅是将数组声明为final的并不保证数组成员也是final的，这需要实现上的保证。这可以确保不会出现死锁，因为获得锁的顺序是固定的。不变性是多线程编程占有很重要的地位。
final Segment<K,V>[] segments; // 段数组为final类型的实现代码如下：
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
// threshold阈，是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度。
transient int threshold;
// loadFactor是加载因子
final float loadFactor;
Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {
this.loadFactor = lf;
this.threshold = threshold;
this.table = tab;
}
// 省略部分代码
}在每个Segment中通过HashEntry来表示链结构，类似于前面例子中的Node节点，主要的代码如下：
static final class HashEntry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;
HashEntry(int hash, K key, V value, HashEntry<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
// 省略部分代码
}
可以看到除了value不是final的，其它值都是final的，这意味着不能从链表的中间或尾部添加或删除节点，因为这需要修改next 引用值，所有的节点的修改只能从头部开始。
首先来看一下ConcurrentHashMap中最主要的一个构造函数，如下：
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
// 参数有效性判断
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// concurrencyLevel是用来计算segments的容量
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
int sshift = 0;
int ssize = 1;
// ssize是大于或等于concurrencyLevel的最小的2的N次方值
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
// 初始化segmentShift和segmentMask
this.segmentShift = 32 - sshift;
this.segmentMask = ssize - 1;
// 哈希表的初始容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
int c = initialCapacity / ssize; // 计算哈希表的实际容量
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; // segments中的HashEntry数组的长度
while (cap < c)
cap <<= 1;
// segments
Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
(HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
this.segments = ss;
}
1、获取元素
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key.hashCode());
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&(tab = s.table) != null) {
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) 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;
}如上获取元素的操作是不带锁的，效率会提高。
2、添加元素
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key.hashCode());
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}接着调用了Segment类中的put方法将元素添加到链表中，如下：
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
e = e.next;
}
else {
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
3、删除元素
public V remove(Object key) {
int hash = hash(key);
// 根据hash值，找到key对应的Segment片段
Segment<K,V> s = segmentForHash(hash);
return s == null ? null : s.remove(key, hash, null);
}
整个操作是先定位到段，然后委托给段的remove操作。当多个删除操作并发进行时，只要它们所在的段不相同，它们就可以同时进行。下面是Segment的remove方法实现：
final V remove(Object key, int hash, Object value) {
if (!tryLock())
scanAndLock(key, hash);
V oldValue = null;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table; // volatile类型的table赋值给一个局部的变量
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> e = entryAt(tab, index);// 获取tab中index索引处的链表
HashEntry<K,V> pred = null;
while (e != null) {
K k;
HashEntry<K,V> next = e.next;
if ((k = e.key) == key ||(e.hash == hash && key.equals(k))) {// 找到了对应的key
V v = e.value;
if (value == null || value == v || value.equals(v)) {
if (pred == null)
setEntryAt(tab, index, next);
else
pred.setNext(next);
++modCount; // 修改结构的次数加1
--count; // 元素数量送去1
oldValue = v; // 记录原始值
}
break;
}// end if
pred = e;
e = next;
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
整个remove实现并不复杂，但是需要注意如下几点。
第一，当要删除的结点存在时，删除的最后一步操作要将count的值减一。这必须是最后一步操作，否则读取操作可能看不到之前对段所做的结构性修改。
第二，remove执行的开始就将table赋给一个局部变量tab，这是因为table是 volatile变量，读写volatile变量的开销很大。编译器也不能对volatile变量的读写做任何优化，直接多次访问非volatile实例变量没有多大影响，编译器会做相应优化。
4、迭代元素