Java ConcurrentHashMap的源码分析详解
作者：code_writer
ConcurrentHashMap（CHM）是日常开发中使用频率非常高的一种数据结构，想对于普通的HashMap，CHM提供了线程安全的读写，CHM里面使用了许多比较精妙的优化&操作。本文主要对CHM的整体结构、初始化，查找，插入等做分析
概述
ConcurrentHashMap（CHM）是日常开发中使用频率非常高的一种数据结构，想对于普通的HashMap，CHM提供了线程安全的读写，CHM里面使用了许多比较精妙的优化&操作。本文主要对CHM的整体结构、初始化，查找，插入等做分析。
CHM在1.8之前和之后有比较大的变动，1.8之前主要通过Segment 分段锁 来解决并发问题，1.8及之后就没有这些臃肿的数据结构了，其数据结构与普通的HashMap一样，都是Node数组+链表+红黑树
一颗红黑树应满足如下性质：
1.根节点是黑色的
- 外部节点均为黑色（图中的 leaf 节点，通常在表述的时候会省略）
- 红色节点的孩子节点必为黑色（通常插入的节点为红色）
- 从任一外部节点到根节点的沿途，黑节点的数目相等
除了上面基本的数据结构之外，Node节点也是一个需要关心的数据结构，Node节点本质上是单向链表的节点，其中包含key、value、Hash、next属性
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V val;
volatile Node<K,V> next;
}ForwardingNode节点
ForwardingNode节点（简称fwd节点）继承自Node节点，主要用于扩容，该节点里面固定Hash值为MOVED(值为-1)，同时持有新表的引用
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
final Node<K,V>[] nextTable;
ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
super(MOVED, null, null, null);
this.nextTable = tab;
}
Node<K,V> find(int h, Object k) {
...
}
}TreeNode
TreeNode节点也继承自Node节点，用于表示红黑树上的节点，主要属性如下所示
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // 父节点
TreeNode<K,V> left; // 左儿子
TreeNode<K,V> right; // 右儿子
TreeNode<K,V> prev; // 记录前驱节点，用于恢复链表
boolean red;
}TreeBin
TreeBin节点内部持有TreeNode节点的引用，内部实现了读写锁用于控制多线程并发在红黑树上的操作，主要属性如下所示
static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {
TreeNode<K,V> root; // 红黑树根节点
volatile TreeNode<K,V> first; // 链表根节点，读写分离时会用到
volatile Thread waiter; // 当前线程
volatile int lockState; // 当前红黑树的锁状态
// values for lockState
static final int WRITER = 1; // set while holding write lock
static final int WAITER = 2; // set when waiting for write lock
static final int READER = 4; // 读锁标记
}SizeCtl
除了数据结构需要说明外，SizeCtl也是理解CHM十分重要的一个字段，他是一个整数，不同的值表示不同的状态
- 当SizeCtl > 0时，表示下次扩展的阈值，其中阈值计算方式：数组长度 * 扩展阈值（注意这里是固定的0.75）
- 当SizeCtl = 0时，表示还没有开始初始化
- 当sizeCtl = -1是，表示此时正在进行初始化
- 当SizeCtl < -1时，表示此时正在进行扩展，其中高16位表示扩容标识戳，低16位表示参与扩容的线程数+1
初始化
CHM的初始化是惰性初始化的，即当我们使用ConCurrentHashMap<String,string> map = new ConcurrentHashMap(20);创建一个CHM对象时，并不会真正的创建对象，而是只有在put时才会真正开始创建对象。
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
// 只是检查参数是否合理，并设置好数组容量和扩容阈值
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
this.sizeCtl = cap;
}
初始化流程
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
// 判空，注意这里是while，当线程苏醒后会记性检查直到初始化完毕
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
// 如果其他线程正在初始化，则让出cpu
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { // 当前线程尝试获取创建数组的重任
try {
// 这里需要再进行判断是否为空，防止当前线程创建完毕后又有其他线程进来重复创建
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
// 设置阈值为0.75n
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}查找
get方法进行查找，针对不同情况有不同处理
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
// 扰动运算
int h = spread(key.hashCode());
// 判断表是否为空，表长度是否为0，以及元素对应下标是否为空
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
// 判断当前下边下是否是我们要找到值
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0) // 判断Node节点的Hash值是否小于0，如果小于0的话，则会在他的子类上进行查找
//这里情况比较复杂，不同的节点有不同的处理，如果当前节点为fwd节点，则去新表上找，如果为红黑树
//节点，则在红黑树上进行查找，后文会展开红黑树上的查找流程
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
// 普通链表查找
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}插入
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<K,V>[] tab = table;;) { // 注意这里是个死循环
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 判断是否初始化
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { // 判断对应节点是否是空节点，如果是
//直接通过cas创建节点
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED) // 如果当前节点是fwd节点（正在扩容），则帮助扩容
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) { // 这里加锁
if (tabAt(tab, i) == f) { // 这里需要继续判断是否当前位置的节点没有变化，因为其他线程可能
// 改变此节点
if (fh >= 0) { // fh >= 0表示当前节点是链表节点，直接next往下找就行
binCount = 1;
for (Node<K,V> 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<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) { // 如果此时节点是TreeBin节点，则需要再红黑树上进行插入，具体
// 插入流程后文展开
Node<K,V> p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
// 判断是否需要树化
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
// 计数器加1，这里使用了计数器而不是AtomicLong这种
addCount(1L, binCount);
return null;
}扩容
CHM的扩容利用了多线程并发的去扩容
CHM在两种条件下会发生扩容：
- 单个链表长度大于8，并且数组长度小于64时，会发生扩容
- 元素个数超过阈值会发生扩容
扩容流程：
- 创建新的Node表，长度为当前数组长度的两倍
- 从后往前分配任务区间，最小长度是16，即每个线程每次扩容最少需要迁移16个桶，具体迁移数量由cpu核数决定
- 判断当前元素是否为空，为空直接cas操作当前节点为fwd节点，否则判断当前元素是否为fwd节点，如果是，则说明其他线程再次区间扩容，此时需要重新选定区间，否则就对当前桶开始进行迁移
- 其他元素在put时如果发现当前桶位是fwd节点，会先协助扩容再put
- 最后一个扩容线程退出扩容时再次检查一遍旧桶，更新sizeCtl的值，同时引用新桶
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
// 确定任务长度
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
if (nextTab == null) { // 第一个扩容的线程需要创建新数组
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
transferIndex = n;
}
int nextn = nextTab.length;
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // 用于最后一次检查
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing) //当前任务是否完成
advance = false;
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) { // 没有任务了
i = -1;
advance = false;
}
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) { //cas更新transferIndex
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) { // 扩容完毕
int sc;
if (finishing) { // 二次检查后引用新表
nextTable = null;
table = nextTab;
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
return;
}
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
return;
finishing = advance = true;
i = n; // recheck before commit
}
}
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null) // 当前节点为空，直接赋为fwd
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
else if ((fh = f.hash) == MOVED) // 其他线程已经迁移好了，此时需要重新分配区间
advance = true; // already processed
else {
synchronized (f) { //当前节点开始迁移，这里需要加锁，可能会有读写操作
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
if (fh >= 0) { //链表节点 这里只需要判断对应位置是0还是1就可决定迁移到高桶位还是低桶位
int runBit = fh & n;
Node<K,V> lastRun = f;
for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
int b = p.hash & n;
if (b != runBit) {
runBit = b;
lastRun = p;
}
}
if (runBit == 0) {
ln = lastRun;
hn = null;
}
else {
hn = lastRun;
ln = null;
}
for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
if ((ph & n) == 0)
ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
else
hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
}
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
else if (f instanceof TreeBin) { // 红黑树节点，通过判断对应位是否为0决定放到高
// 桶位还是低桶位
TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
int h = e.hash;
TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
(h, e.key, e.val, null, null);
if ((h & n) == 0) {
if ((p.prev = loTail) == null)
lo = p;
else
loTail.next = p;
loTail = p;
++lc;
}
else {
if ((p.prev = hiTail) == null)
hi = p;
else
hiTail.next = p;
hiTail = p;
++hc;
}
}
ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
(hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
(lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
}
}
}
}
}红黑树的读&写
红黑树上的读写操作是基于TreeBin进行的，上文也对其进行了说明。TreeBin其中的lockState表示当前的读写状态
读操作
读操作和写操作可可以是并行的，当有现成正在写或者正在等待写时，读线程可以读，通过代码我们可以发现，此时并没有从红黑树上去读，而是通过链表去读了，这里和IO多路复用里面的epoll函数的底层原理一样。
final Node<K,V> find(int h, Object k) {
if (k != null) {
for (Node<K,V> e = first; e != null; ) {
int s; K ek;
// WAITER : .....010
// WRITER : .....001
// READER : .....100
if (((s = lockState) & (WAITER|WRITER)) != 0) { //这里表明此时有正在写或者等待写的线程，直接从链表读
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
return e;
e = e.next;
}
else if (U.compareAndSwapInt(this, LOCKSTATE, s, // 表明此时处于无锁或者读锁状态，直接红黑树上查找
s + READER)) {
TreeNode<K,V> r, p;
try {
p = ((r = root) == null ? null :
r.findTreeNode(h, k, null));
} finally {
Thread w;
// 读操作完毕后检查是否有写线程在等待，如果有，需要唤醒等待线程
// READER|WAITER 表示此时是最后一个读线程
if (U.getAndAddInt(this, LOCKSTATE, -READER) ==
(READER|WAITER) && (w = waiter) != null)
LockSupport.unpark(w);
}
return p;
}
}
}
return null;
}写操作
红黑树上的写会先查找是否有对应的值，如果有，则更新值即可，如果没有找到，则插入新的节点，再插入节点的过程中，会调用lockRoot加写锁，如果没有抢到锁，则会调用contentLock方法继续尝试或者将自己挂起
final TreeNode<K,V> putTreeVal(int h, K k, V v) {
Class<?> kc = null;
boolean searched = false;
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
// 查找是否有值
int dir, ph; K pk;
if (p == null) {
first = root = new TreeNode<K,V>(h, k, v, null, null);
break;
}
else if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
else if (ph < h)
dir = 1;
else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk)))
return p;
else if ((kc == null &&
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
if (!searched) {
TreeNode<K,V> q, ch;
searched = true;
if (((ch = p.left) != null &&
(q = ch.findTreeNode(h, k, kc)) != null) ||
((ch = p.right) != null &&
(q = ch.findTreeNode(h, k, kc)) != null))
return q;
}
dir = tieBreakOrder(k, pk);
}
TreeNode<K,V> xp = p;
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
TreeNode<K,V> x, f = first;
first = x = new TreeNode<K,V>(h, k, v, f, xp);
if (f != null)
f.prev = x;
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
if (!xp.red)
x.red = true;
else {
// 锁住节点，平衡操作可能会导致树结构发生变化
lockRoot();
try {
root = balanceInsertion(root, x);
} finally {
unlockRoot();
}
}
break;
}
}
assert checkInvariants(root);
return null;
}private final void lockRoot() {
// 这里尝试去获取写锁，获取不到就调用contenedLock方法
if (!U.compareAndSwapInt(this, LOCKSTATE, 0, WRITER))
contendedLock(); // offload to separate method
}
private final void contendedLock() {
boolean waiting = false;
for (int s;;) {
// ~WAITER 1111111101
// 如果此时处于无锁，则重新获取锁
if (((s = lockState) & ~WAITER) == 0) {
if (U.compareAndSwapInt(this, LOCKSTATE, s, WRITER)) {
if (waiting)
waiter = null;
return;
}
} // 此时不是处于waiter状态，即其他线程没有等待，则自己进行等待。如果已经有线程在等待了，会一直自旋，也可看出这里是非公平锁
else if ((s & WAITER) == 0) {
if (U.compareAndSwapInt(this, LOCKSTATE, s, s | WAITER)) {
waiting = true;
waiter = Thread.currentThread();
}
}
else if (waiting) // 将当前线程挂起
LockSupport.park(this);
}
}小结
在红黑树上进行读写时，我们可以发现，当有线程在树上写时，读线程是可以读的，不过不是从红黑树上去读，而不用阻塞，这里可能导致短暂的数据不一致的问题，类似于COW；当有线程在树上读时，此时写线程会将自己挂起，当最后一个读线程查找完毕后会检查是否有些线程在等待，如果有，则唤醒等待写的线程
容器计数
对于一个并发容器来说，当多线程同时写入时，此时容器如何计数成为了一个问题，最简单的是通过AtomicLong来保证原子性与可见性，但是在多线程情况下绝大多数线程会cas失败，然后重试。这无疑是浪费cpu性能的且会有性能瓶颈的。在CHM中引入了，使用分段计数思想，即通过一个数组来计数，当多线程并发计数时，记在数组的不同位置上，最后进行统计。
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;
long sum = baseCount;
if (as != null) {
// 累计cells数组
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
// 计数
private final void addCount(long x, int check) {
CounterCell[] as; long b, s;
// 如果cells数组不为空或者cas操作baseCount失败，说明此时出现了竞争，需要再cells数组上计数
if ((as = counterCells) != null ||
!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
CounterCell a; long v; int m;
boolean uncontended = true;
if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
(a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
!(uncontended =
U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
fullAddCount(x, uncontended);
return;
}
if (check <= 1)
return;
s = sumCount();
}
// 判断是否需要扩容
if (check >= 0) {
Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
int rs = resizeStamp(n);
if (sc < 0) {
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
transfer(tab, nt);
}
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);
s = sumCount();
}
}
}总结
CHM作为线程安全的Map，同时又要兼顾性能，使用了许多巧妙的设计与思想，如位运算，红黑树，无锁并发等等，里面的思想值得我们去学习和借鉴。本篇文章对其进行简单的解读，如有不当之处，还望指出，万分感谢。
到此这篇关于Java ConcurrentHashMap的源码分析详解的文章就介绍到这了,更多相关Java ConcurrentHashMap内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！
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