[数据结构与算法]多线程(五) -- 并发工具(二) -- J.U.C并发包(五) -- ConcurrentHashMap详解

1. JDK8

1.1 重要属性和内部类：

// 默认为0
// 当初始化时，为-1
// 当扩容时，为 -(1 + 扩容线程数)
// 当初始化或扩容完成后，为下一次的扩容的阈值大小
// 作用在扩容时
private transient volatile int sizeCtl;

// 整个concurrentHashMap 就是一个Node[]
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {}

// hash表
transient volatile Node<K,V>[] table;

// 扩容时新的hash表
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;

// 扩容时如果某个bin（数组中的某个节点）迁移完成，用ForwardingNode作为旧table bin的头节点
// 扩容元素搬迁到新Node时，如果某个bin即某个数组中节点中的链表或者红黑树已经搬迁完成，则给这个bin加上一个ForwardingNode头节点，如果其他线程来处理这个节点时，看到头节点是ForwardingNode，就不会对这个bin进行处理了
// 同理，如果get时，发现get的数据所在的节点的头节点是ForwardingNode，就会去新的数组中查找数据
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {}

// 用在compute以及computeIfAbsent时，用来占位，计算完成后替换为普通Node
static final class ReservationNode<K,V> extends Node<K,V> {}

// 作为treebin的头节点，存储root和first
static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {}

// 作为treebin的节点，存储parent，left，right
// TreeBin是红黑树的头节点，TreeNode是红黑树中的每个节点
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {}

1.2 方法：

// 获取Node[]中第i个Node
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {}

// cas修改Node[]中第i个Node的值，c为旧值，v为新值
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> c, Node<K,V> v) {}

// 直接修改Node[]中第i个Node的值，v为新值
 static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {}

1.3 构造器分析

// 参数：初始容量，扩容因子，并发度
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    // 如果初始容量小于并发度，需要将初始容量改为并发度                     
    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
    // 1.8的hashmap是懒惰初始化的，只有真正使用才会创建，这里先计算出下一次table的容量是多少 
    // 使用初始容量除以加载因子  
    long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
    // 再拿计算出的容量计算出具体的容量（确保是2的指数倍）
    int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
        MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
    this.sizeCtl = cap;
}

1.4 get流程

整个get流程中都没有加锁，这是因为使用了volatile关键字

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    // spread方法确保返回结果即hash码是正整数
    int h = spread(key.hashCode());
    // 如果table不为空，并且table中有元素
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
    	// 根据hash的取模值找到数组中的元素即链表的头节点
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
        // 如果头节点已经是要找的key
        if ((eh = e.hash) == h) {
        	// 判断头节点的key和需要查找的key是否相等
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        // 头节点hash为负数，表示该bin在扩容中或是treebin，这时调用find方法查找
        else if (eh < 0)
        	// 去红黑树中查看值
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        // 如果都不是，去链表中遍历查找
        while ((e = e.next) != null) {
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

1.5put流程

以下数组简称：table，链表简称：bin；

public V put(K key, V value) {
    return putVal(key, value, false);
}

// 第三个参数：如果为真，表示只有第一次put键和值才会放入，第二次再put相同的key就不会进行任何操作
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 不允许空的键值
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    // 确保key的hash码为整数
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    // 死循环
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        // f是链表头节点，fh是链表头节点的hash，i是链表在table中的下标
        Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
        // 要创建table
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            // 创建table使用了cas，无需synchronized
            // 创建成功，进入下一轮循环
            tab = initTable();
        // tabAt找有没有头节点，并赋值，没有要创建链表头节点
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 使用cas添加头节点
            // 如果cas失败，表示其他县城添加了头节点，就重新进入循环
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
                // 成功put
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // 判断链表头节点是否等于-1，如果等于-1表示其他线程正在扩容，此线程就去帮忙扩容
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            // 结束后，再次进入循环
            tab = helpTransfer(tab, f);
        // 判断要插入的数据是否等于链表头节点，如果是，直接返回
        else if (onlyIfAbsent // check first node without acquiring lock
                && fh == hash
                && ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
                && (fv = f.val) != null)
            return fv;
        // 真正要put值了
        else {
            V oldVal = null;
            // 锁住的是链表头节点
            synchronized (f) {
                // 再次获取链表的头，判断是否等于之前拿到的链表头
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 代表是数组中此节点是链表
                    if (fh >= 0) {
                        // 链表长度
                        binCount = 1;
                        // 遍历链表
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 找到相同的key
                            if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                            (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                // 更新
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            // 已经是最后的节点了，就新增node，追加至链表尾部
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 红黑树
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        // putTreeVal会判断key是否在树中，如果是则返回对应的TreeNode
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                    else if (f instanceof ReservationNode)
                        throw new IllegalStateException("Recursive update");
                }
            }
            // 检查binCount，如果binCount说明链表或者红黑树内部有冲突，判断是否需要将链表转换成红黑树
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 增加size计数
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

1.6 初始化数组：initable

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    // while判断table是否创建
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // sizeCtl<0表示有其他线程正在创建数组，就调用yield方法，让出cpu
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        // cas尝试将sizeCtl设置为-1（表示正在初始化table），如果尝试失败，再次进入while循环
        else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            // 获得锁，创建table，这时其他线程会在while()循环中yield，直至table创建
            try {
                // 再次判断
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    // 根据之前预设的容量来创建数组
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

1.7 计数方法：addCount

维护整个hash表的计数，并判断计数是否超过扩容阈值

private final void addCount(long x, int check) {
    CounterCell[] cs; long b, s;
    // 判断累加单元数组是否为空，如果已有，向cell中累加
    if ((cs = counterCells) != null ||
            // 还没有，向baseCount中累加
            !U.compareAndSetLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
        CounterCell c; long v; int m;
        boolean uncontended = true;
        // 说明counterCells累加单元数组还没有
        if (cs == null || (m = cs.length - 1) < 0 ||
                // 累加单元数组中还没有cell
                (c = cs[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
                // cas增加cell计数
                !(uncontended =
                        U.compareAndSetLong(c, CELLVALUE, v = c.value, v + x))) {
            // 创建累加单元数组和cell，累加重试
            fullAddCount(x, uncontended);
            return;
        }
        if (check <= 1)
            return;
        // 获取元素个数
        s = sumCount();
    }
    if (check >= 0) {
        Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
        // 判断元素个数是否大于扩容阈值，如果大于就进入扩容
        while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
            int rs = resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT;
            if (sc < 0) {
                if (sc == rs + MAX_RESIZERS || sc == rs + 1 ||
                        (nt = nextTable) == null || transferIndex <= 0)
                    break;
                // newTable已经创建了，帮忙扩容
                if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
            // 需要扩容，此时newtable未创建
            else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, rs + 2))
                transfer(tab, null);
            s = sumCount();
        }
    }
}

1.8 size计算流程

size计算实际发生在put、remove改变集合元素的操作之中

• 没有竞争发生，想baseCount累加计数
• 有竞争发生，新建counterCells，向其中的一个cell累加计数
  • counterCells初始有两个cell
  • 如果计数竞争比较激烈，会创建新的cell来累加计数

public int size() {
    long n = sumCount();
    return ((n < 0L) ? 0 :
            (n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
                    (int)n);
}

final long sumCount() {
    CounterCell[] cs = counterCells;
    // 遍历累加单元，将baseCount计数与所有cell计数累加
    long sum = baseCount;
    if (cs != null) {
        for (CounterCell c : cs)
            if (c != null)
                sum += c.value;
    }
    return sum;
}