ConcurrentHashMap源码分析
2014 年 1 月 1 日
1、它实现了 ConcurrentMap 接口，该接口定义了一些原子操作约定
2、线程安全
- 完全的并发读和高并发写
- 读操作完全无锁，牺牲了一致性；写操作部分有锁
- 它与
HashTable、Collections.synchronizedMap -
HashMap支持null，ConcurrentHashMap、HashTable不支持null
3、 java7
- 分段锁
- 哈希表/链表
4、 java8
-
CAS+Unsafe - 哈希表/链表 + 红黑树
java7 的实现
一、相关概念
1、分段锁
ConcurrentHashMap 底层采用多个分段 Segment ，每段下面都是一个哈希表，这就是分段。每当需要对每段数据上锁操作时，只需要对 Segment 上锁即可，这就是分段锁。通常称 Segment 的数量叫做并发度 concurrency 。
优点：
-
在未上锁的情况下，提高了并发度；
2、并发度 concurrency
/**
* The default concurrency level for this table, used when not
* otherwise specified in a constructor.
*/
static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
这表示默认情况下，会有16个段 Segment
3、每个 Segment 的哈希表长度都是2的幂次方
在 ConcurrentHashMap 构造方法中
二、源码分析
1、 get 方法
segment
public V get(Object key) {
Segment s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry[] tab;
int h = hash(key);
// 获取到key所在Segment数组的下标
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
// 判断这个下标是否存在，以及Segment下面的哈希表是否存在
if ((s = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
// 熟悉的：(tab.length - 1) & h操作
for (HashEntry e = (HashEntry) 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;
}
（1）为什么要使用 UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u) 这种方式来读取数组下标的某个元素？
提高性能。使用常用 segments[i] 这种语法，在编译字节码的时候，是会检查数组是否越界；而使用上面的代码，会节省这一步。
（2）如何保证线程安全性？
即如何保证在多线程环境下，当线程在做更新操作时，如果其他线程在同步读的话，是可能出现脏数据、空指针情况。那么 ConcurrentHashMap 是如何保证的？
ConcurrentHashMap 为了提高高并发，而牺牲了一致性，但这种一致性是弱一致性，不会对程序造成大的过错。所以脏数据是无法避免的，因此在 java8 的类注释写到不建议使用 size 、 isEmpty 、 containsValue 来进行判断语句。
* Bear in mind that the results of aggregate status methods including
* {@code size}, {@code isEmpty}, and {@code containsValue} are typically
* useful only when a map is not undergoing concurrent updates in other threads.
* Otherwise the results of these methods reflect transient states
* that may be adequate for monitoring or estimation purposes, but not
* for program control.
2、 put 方法
- 找到
Segment，必要时新建； -
Segment执行put操作，必要时扩容；
public V put(K key, V value) {
Segment s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}
（1）扩容时如何保证线程安全性？
- 在创建
Segment时，采用CAS保证线程安全性； - 在创建
Entry时，因为Segment本身就是ReentrantLock，在其Segment.put()方法是一定保证在获取到锁的情况下才执行操作的；
（2）Unsafe.getObject()的作用？
java8 的实现
一、与 java7 的改进
使用哈希表 + 链表/红黑树 的数据结构
放弃使用分段锁，改用 CAS 、 volatile 、 Unsafe
java7 的分段锁很好，但锁毕竟还是很慢的，所以 java8 实现了尽可能地无锁环境。
这里所说地无锁也仅仅大多数情况下，在某些特殊场景还是需要锁地。
锁的粒度更细
java7 锁地粒度是 Segment ，而在 java8 中锁地粒度是每个 Entry
二、源码分析
1、 get 方法
public V get(Object key) {
Node[] tab; Node e, p; int n, eh; K ek;
// 重新hash
int h = spread(key.hashCode());
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
// 如果第一个就找到，直接返回
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
// 如果元素地hash值小于0，就往红黑树查找
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
// 链表下地查找
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
（1）查找没有锁，如何有人在写入怎么办？
java7
2、 put 方法
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
// 重新hash
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
// 自旋操作：乐观锁
for (Node[] tab = table;;) {
Node f; int n, i, fh;
// 如果哈希表为空，就新建
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
// 找到对应下标Entry，如果为空，就新建
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
// 如果当前节点处于转发节点，即正处于扩容转移状态，就帮忙一起转移
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
// 在对应Entry下，进行put操作
else {
V oldVal = null;
// synchronized锁定entry，进行put
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
// 链表地put操作
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node 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 pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
// 红黑树地put操作
else if (f instanceof TreeBin) {
Node p;
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
// 检查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;
}
}
}
// 记录数量，必要地时候进行扩容
addCount(1L, binCount);
return null;
}
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