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上一篇文章介紹了 HashMap 源碼，反響不錯，也有很多同學發表了自己的觀點，這次又來了，這次是 ConcurrentHashMap 了，作為線程安全的HashMap ，它的使用頻率也是很高。那么它的存儲結構和實現原理是怎么樣的呢？
1. ConcurrentHashMap 1.7
1. 存儲結構
Java 7 中 ConcurrentHashMap 的存儲結構如上圖，ConcurrnetHashMap 由很多個 Segment 組合，而每一個 Segment 是一個類似於 HashMap 的結構，所以每一個 HashMap 的內部可以進行擴容。但是 Segment 的個數一旦初始化就不能改變，默認 Segment 的個數是 16 個，你也可以認為 ConcurrentHashMap 默認支持最多 16 個線程並發。
2. 初始化
通過 ConcurrentHashMap 的無參構造探尋 ConcurrentHashMap 的初始化流程。
/**
* Creates a new, empty map with a default initial capacity (16),
* load factor (0.75) and concurrencyLevel (16).
*/
public ConcurrentHashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
}
無參構造中調用了有參構造，傳入了三個參數的默認值，他們的值是。
/**
* 默認初始化容量
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
/**
* 默認負載因子
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
/**
* 默認並發級別
*/
static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
接着看下這個有參構造函數的內部實現邏輯。
@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
// 參數校驗
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 校驗並發級別大小，大於 1<<16，重置為 65536
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
// 2的多少次方
int sshift = 0;
int ssize = 1;
// 這個循環可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
// 記錄段偏移量
this.segmentShift = 32 - sshift;
// 記錄段掩碼
this.segmentMask = ssize - 1;
// 設置容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// c = 容量 / ssize ，默認 16 / 16 = 1，這里是計算每個 Segment 中的類似於 HashMap 的容量
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
//Segment 中的類似於 HashMap 的容量至少是2或者2的倍數
while (cap < c)
cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
// 創建 Segment 數組，設置 segments[0]
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;
}
總結一下在 Java 7 中 ConcurrnetHashMap 的初始化邏輯。
- 必要參數校驗。
- 校驗並發級別 concurrencyLevel 大小，如果大於最大值，重置為最大值。無慘構造默認值是 16.
- 尋找並發級別 concurrencyLevel 之上最近的 2 的冪次方值，作為初始化容量大小，默認是 16。
- 記錄 segmentShift 偏移量，這個值為【容量 = 2 的N次方】中的 N，在后面 Put 時計算位置時會用到。默認是 32 - sshift = 28.
- 記錄 segmentMask，默認是 ssize - 1 = 16 -1 = 15.
- 初始化 segments[0]，默認大小為 2，負載因子 0.75，擴容閥值是 2*0.75=1.5，插入第二個值時才會進行擴容。
3. put
接着上面的初始化參數繼續查看 put 方法源碼。
/**
* Maps the specified key to the specified value in this table.
* Neither the key nor the value can be null.
*
* <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method
* with a key that is equal to the original key.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
* @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
* <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>
* @throws NullPointerException if the specified key or value is null
*/
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
// hash 值無符號右移 28位（初始化時獲得），然后與 segmentMask=15 做與運算
// 其實也就是把高4位與segmentMask（1111）做與運算
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
// 如果查找到的 Segment 為空，初始化
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}
/**
* Returns the segment for the given index, creating it and
* recording in segment table (via CAS) if not already present.
*
* @param k the index
* @return the segment
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
Segment<K,V> seg;
// 判斷 u 位置的 Segment 是否為null
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
// 獲取0號 segment 里的 HashEntry<K,V> 初始化長度
int cap = proto.table.length;
// 獲取0號 segment 里的 hash 表里的擴容負載因子，所有的 segment 的 loadFactor 是相同的
float lf = proto.loadFactor;
// 計算擴容閥值
int threshold = (int)(cap * lf);
// 創建一個 cap 容量的 HashEntry 數組
HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck
// 再次檢查 u 位置的 Segment 是否為null，因為這時可能有其他線程進行了操作
Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
// 自旋檢查 u 位置的 Segment 是否為null
while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) {
// 使用CAS 賦值，只會成功一次
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
break;
}
}
}
return seg;
}
上面的源碼分析了 ConcurrentHashMap 在 put 一個數據時的處理流程，下面梳理下具體流程。
-
計算要 put 的 key 的位置，獲取指定位置的 Segment。
-
如果指定位置的 Segment 為空，則初始化這個 Segment.
初始化 Segment 流程：
- 檢查計算得到的位置的 Segment 是否為null.
- 為 null 繼續初始化，使用 Segment[0] 的容量和負載因子創建一個 HashEntry 數組。
- 再次檢查計算得到的指定位置的 Segment 是否為null.
- 使用創建的 HashEntry 數組初始化這個 Segment.
- 自旋判斷計算得到的指定位置的 Segment 是否為null，使用 CAS 在這個位置賦值為 Segment.
-
Segment.put 插入 key,value 值。
上面探究了獲取 Segment 段和初始化 Segment 段的操作。最后一行的 Segment 的 put 方法還沒有查看，繼續分析。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 獲取 ReentrantLock 獨占鎖，獲取不到，scanAndLockForPut 獲取。
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
// 計算要put的數據位置
int index = (tab.length - 1) & hash;
// CAS 獲取 index 坐標的值
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
// 檢查是否 key 已經存在，如果存在，則遍歷鏈表尋找位置，找到后替換 value
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 {
// first 有值沒說明 index 位置已經有值了，有沖突，鏈表頭插法。
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
// 容量大於擴容閥值，小於最大容量，進行擴容
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
// index 位置賦值 node，node 可能是一個元素，也可能是一個鏈表的表頭
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
由於 Segment 繼承了 ReentrantLock，所以 Segment 內部可以很方便的獲取鎖，put 流程就用到了這個功能。
-
tryLock() 獲取鎖，獲取不到使用
scanAndLockForPut方法繼續獲取。 -
計算 put 的數據要放入的 index 位置，然后獲取這個位置上的 HashEntry 。
-
遍歷 put 新元素，為什么要遍歷？因為這里獲取的 HashEntry 可能是一個空元素，也可能是鏈表已存在，所以要區別對待。
如果這個位置上的 HashEntry 不存在：
- 如果當前容量大於擴容閥值，小於最大容量，進行擴容。
- 直接頭插法插入。
如果這個位置上的 HashEntry 存在：
- 判斷鏈表當前元素 Key 和 hash 值是否和要 put 的 key 和 hash 值一致。一致則替換值
- 不一致，獲取鏈表下一個節點，直到發現相同進行值替換，或者鏈表表里完畢沒有相同的。
- 如果當前容量大於擴容閥值，小於最大容量，進行擴容。
- 直接鏈表頭插法插入。
-
如果要插入的位置之前已經存在，替換后返回舊值，否則返回 null.
這里面的第一步中的 scanAndLockForPut 操作這里沒有介紹，這個方法做的操作就是不斷的自旋 tryLock() 獲取鎖。當自旋次數大於指定次數時，使用 lock() 阻塞獲取鎖。在自旋時順表獲取下 hash 位置的 HashEntry。
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
HashEntry<K,V> e = first;
HashEntry<K,V> node = null;
int retries = -1; // negative while locating node
// 自旋獲取鎖
while (!tryLock()) {
HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
if (retries < 0) {
if (e == null) {
if (node == null) // speculatively create node
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
retries = 0;
}
else if (key.equals(e.key))
retries = 0;
else
e = e.next;
}
else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
// 自旋達到指定次數后，阻塞等到只到獲取到鎖
lock();
break;
}
else if ((retries & 1) == 0 &&
(f = entryForHash(this, hash)) != first) {
e = first = f; // re-traverse if entry changed
retries = -1;
}
}
return node;
}
4. 擴容 rehash
ConcurrentHashMap 的擴容只會擴容到原來的兩倍。老數組里的數據移動到新的數組時，位置要么不變，要么變為 index+ oldSize，參數里的 node 會在擴容之后使用鏈表頭插法插入到指定位置。
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
// 老容量
int oldCapacity = oldTable.length;
// 新容量，擴大兩倍
int newCapacity = oldCapacity << 1;
// 新的擴容閥值
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
// 創建新的數組
HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
// 新的掩碼，默認2擴容后是4，-1是3，二進制就是11。
int sizeMask = newCapacity - 1;
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
// 遍歷老數組
HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
if (e != null) {
HashEntry<K,V> next = e.next;
// 計算新的位置，新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
int idx = e.hash & sizeMask;
if (next == null) // Single node on list
// 如果當前位置還不是鏈表，只是一個元素，直接賦值
newTable[idx] = e;
else { // Reuse consecutive sequence at same slot
// 如果是鏈表了
HashEntry<K,V> lastRun = e;
int lastIdx = idx;
// 新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
// 遍歷結束后，lastRun 后面的元素位置都是相同的
for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) {
int k = last.hash & sizeMask;
if (k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
// ，lastRun 后面的元素位置都是相同的，直接作為鏈表賦值到新位置。
newTable[lastIdx] = lastRun;
// Clone remaining nodes
for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
// 遍歷剩余元素，頭插法到指定 k 位置。
V v = p.value;
int h = p.hash;
int k = h & sizeMask;
HashEntry<K,V> n = newTable[k];
newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
}
}
}
}
// 頭插法插入新的節點
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node;
table = newTable;
}
有些同學可能會對最后的兩個 for 循環有疑惑，這里第一個 for 是為了尋找這樣一個節點，這個節點后面的所有 next 節點的新位置都是相同的。然后把這個作為一個鏈表賦值到新位置。第二個 for 循環是為了把剩余的元素通過頭插法插入到指定位置鏈表。這樣實現的原因可能是基於概率統計，有深入研究的同學可以發表下意見。
5. get
到這里就很簡單了，get 方法只需要兩步即可。
- 計算得到 key 的存放位置。
- 遍歷指定位置查找相同 key 的 value 值。
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
// 計算得到 key 的存放位置
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) {
// 如果是鏈表，遍歷查找到相同 key 的 value。
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
return e.value;
}
}
return null;
}
2. ConcurrentHashMap 1.8
1. 存儲結構
可以發現 Java8 的 ConcurrentHashMap 相對於 Java7 來說變化比較大，不再是之前的 Segment 數組 + HashEntry 數組 + 鏈表，而是 Node 數組 + 鏈表 / 紅黑樹。當沖突鏈表達到一定長度時，鏈表會轉換成紅黑樹。
2. 初始化 initTable
/**
* Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
*/
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
／／ 如果 sizeCtl < 0 ,說明另外的線程執行CAS 成功，正在進行初始化。
if ((sc = sizeCtl) < 0)
// 讓出 CPU 使用權
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
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;
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
從源碼中可以發現 ConcurrentHashMap 的初始化是通過自旋和 CAS 操作完成的。里面需要注意的是變量 sizeCtl ，它的值決定着當前的初始化狀態。
- -1 說明正在初始化
- -N 說明有N-1個線程正在進行擴容
- 表示 table 初始化大小，如果 table 沒有初始化
- 表示 table 容量，如果 table 已經初始化。
3. put
直接過一遍 put 源碼。
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// key 和 value 不能為空
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
// f = 目標位置元素
Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 后面存放目標位置的元素 hash 值
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
// 數組桶為空，初始化數組桶（自旋+CAS)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
// 桶內為空，CAS 放入，不加鎖，成功了就直接 break 跳出
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)
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
// 使用 synchronized 加鎖加入節點
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
// 說明是鏈表
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
// 循環加入新的或者覆蓋節點
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) {
// 紅黑樹
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;
}
-
根據 key 計算出 hashcode 。
-
判斷是否需要進行初始化。
-
即為當前 key 定位出的 Node，如果為空表示當前位置可以寫入數據，利用 CAS 嘗試寫入，失敗則自旋保證成功。
-
如果當前位置的
hashcode == MOVED == -1,則需要進行擴容。 -
如果都不滿足，則利用 synchronized 鎖寫入數據。
-
如果數量大於
TREEIFY_THRESHOLD則要轉換為紅黑樹。
4. get
get 流程比較簡單，直接過一遍源碼。
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
// key 所在的 hash 位置
int h = spread(key.hashCode());
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
// 如果指定位置元素存在，頭結點hash值相同
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
// key hash 值相等，key值相同，直接返回元素 value
return e.val;
}
else if (eh < 0)
// 頭結點hash值小於0，說明正在擴容或者是紅黑樹，find查找
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) {
// 是鏈表，遍歷查找
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
總結一下 get 過程：
- 根據 hash 值計算位置。
- 查找到指定位置，如果頭節點就是要找的，直接返回它的 value.
- 如果頭節點 hash 值小於 0 ，說明正在擴容或者是紅黑樹，查找之。
- 如果是鏈表，遍歷查找之。
總結：
總的來說 ConcruuentHashMap 在 Java8 中相對於 Java7 來說變化還是挺大的，
3. 總結
Java7 中 ConcruuentHashMap 使用的分段鎖，也就是每一個 Segment 上同時只有一個線程可以操作，每一個 Segment 都是一個類似 HashMap 數組的結構，它可以擴容，它的沖突會轉化為鏈表。但是 Segment 的個數一但初始化就不能改變。
Java8 中的 ConcruuentHashMap 使用的 Synchronized 鎖加 CAS 的機制。結構也由 Java7 中的 Segment 數組 + HashEntry 數組 + 鏈表 進化成了 Node 數組 + 鏈表 / 紅黑樹，Node 是類似於一個 HashEntry 的結構。它的沖突再達到一定大小時會轉化成紅黑樹，在沖突小於一定數量時又退回鏈表。
有些同學可能對 Synchronized 的性能存在疑問，其實 Synchronized 鎖自從引入鎖升級策略后，性能不再是問題，有興趣的同學可以自己了解下 Synchronized 的鎖升級。
<完>
Hello world : ) 我是阿朗，一線技術工具人，認認真真寫文章。
點贊的個個都是人才，不僅長得帥氣好看，說話還好聽。
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