ConcurrentHashMap如何保證線程安全

以前看過HashMap的內部實現，知道HashMap是使用Node數組+鏈表+紅黑樹的數據結構來實現，如下圖所示。但是HashMap是非線程安全，在多線程環境不能夠使用。

不過JDK在其並發包中為我們提供了線程安全的ConcurrentHashMap。因此，來學習以下其內部是如何保證線程安全的。

                                                               

                                                                                    HashMap的數據結構

一、Unsafe和CAS

 ConcurrentHashMap的大部分操作和HashMap是相同的，例如初始化，擴容和鏈表向紅黑樹的轉變等。但是，在ConcurrentHashMap中，大量使用了U.compareAndSwapXXX

的方法，這個方法是利用一個CAS算法實現無鎖化的修改值的操作，他可以大大降低鎖代理的性能消耗。這個算法的基本思想就是不斷地去比較當前內存中的變量值與你指定的

一個變量值是否相等，如果相等，則接受你指定的修改的值，否則拒絕你的操作。因為當前線程中的值已經不是最新的值，你的修改很可能會覆蓋掉其他線程修改的結果。這一

點與樂觀鎖，SVN的思想是比較類似的。

static {
    try {
        U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
        Class<?> k = ConcurrentHashMap.class;
        SIZECTL = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("sizeCtl"));
        TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("transferIndex"));
        BASECOUNT = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("baseCount"));
        CELLSBUSY = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("cellsBusy"));
        Class<?> ck = CounterCell.class;
        CELLVALUE = U.objectFieldOffset
            (ck.getDeclaredField("value"));
        Class<?> ak = Node[].class;
        ABASE = U.arrayBaseOffset(ak);
        int scale = U.arrayIndexScale(ak);
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)
            throw new Error("data type scale not a power of two");
        ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
    } catch (Exception e) {
        throw new Error(e);
    }
}

同時，在ConcurrentHashMap中還定義了三個原子操作，用於對指定位置的節點進行操作。這三種原子操作被廣泛的使用在ConcurrentHashMap的get和put等方法中，

正是這些原子操作保證了ConcurrentHashMap的線程安全。

// 獲取tab數組的第i個node

static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
    return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
// 利用CAS算法設置i位置上的node節點。在CAS中，會比較內存中的值與你指定的這個值是否相等，如果相等才接受
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
                                    Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
    return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
// 利用volatile方法設置第i個節點的值，這個操作一定是成功的。
static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {
    U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}

二、ConcurrentHashMap的put方法

接下來，我們來看下ConcurrentHashMap中最主要的put方法的實現，在put方法中調用了putVal方法，其源碼如下：

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    // 計算hash值
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable(); // table是在首次插入元素的時候初始化，lazy
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            if (casTabAt(tab, i, null, // 如果這個位置沒有值，直接放進去，由CAS保證線程安全，不需要加鎖
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {  // 節點上鎖，這里的節點可以理解為hash值相同組成的鏈表的頭節點，鎖的粒度為頭節點。
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        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) {
                        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;
                        }
                    }
                }
            }
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

從上面我們可以發現ConcurrentHashMap的put方法的主要流程如下：

因此，我們可以發現JDK8中ConcurrentHashMap的實現使用的是鎖分離思想，只是鎖住的是一個node，而鎖住Node之前的操作是基於在volatile和CAS之上無鎖並且線程安全的。