ConcurrentHashMap源码分析
HashMap、HashTable是JDK中提供的两种的容器,在平时开发中经常会使用到。但在并发编程中,HashMap可能会导致程序死循环,而HashTable就是在所有涉及对该哈希表操作的方法上都加上了synchronized关键字,进行加锁操作。这么做实现了线程安全,但是效率非常低。因此就有了ConcurrentHashMap。
JDK1.7
在JDK1.7中ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。
Segment是一个可重入锁,HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个SegMent数组,Segment的结构和HashMap类似,是一种数组和链表结构。一个Segment里包含了一个HashEntry数组,每个HashEntry是一个链表结构的元素,每个Segment守护着一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry的数据进行修改时,必须先获得与它对应的Segment锁。
get
先经过一次再散列,然后使用这个散列值通过散列运算定位到Segment,再通过散列算法定位到元素。get操作的高效之处在于get方法将要使用的共享变量都定义成volatile类型。
put
当执行put方法插入数据时,根据key的hash值,在Segment数组中找到相应的位置,如果相应位置的Segment还未初始化,则通过CAS进行赋值,接着执行Segment对象的put方法通过加锁机制插入数据,实现如下:
线程A和线程B同时执行相同Segment对象的put方法
- 线程A执行tryLock()方法成功获取锁,则把HashEntry对象插入到相应的位置;
- 线程B获取锁失败,则执行scanAndLockForPut()方法,在scanAndLockForPut方法中,会通过重复执行tryLock()方法尝试获取锁,在多处理器环境下,重复次数为64,单处理器重复次数为1,当执行tryLock()方法的次数超过上限时,则执行lock()方法挂起线程B;
- 当线程A执行完插入操作时,会通过unlock()方法释放锁,接着唤醒线程B继续执行;
size
Segment中的全局变量count是一个volatile变量。先尝试两次通过不锁住Segment的方式统计各个Segment大小,如果两次统计结果相同,则说明计算出的元素个数是准确的。如果两次结果不同,则给每个Segment加锁,在进行一次计算。
JDK1.8
在JDK1.8中已经抛弃了Segment分段锁机制,利用CAS+Synchronized来保证并发更新的安全,底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。
1、重要属性
sizeCtl这个属性在ConcurrentHashMap中出镜率很高,因为它是一个控制标识符,在不同的地方有不同用途,而且它的取值不同,也代表不同的含义。
- 负数代表正在进行初始化或扩容操作
- -1代表正在初始化
- -N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作
- 正数或0代表hash表还没有被初始化,这个数值表示初始化或下一次进行扩容的大小,这一点类似于扩容阈值的概念。还后面可以看到,它的值始终是当前ConcurrentHashMap容量的0.75倍,这与loadfactor是对应的。
1 | /** |
2、重要的类
Node
Node是最核心的内部类,它包装了key-value键值对,所有插入ConcurrentHashMap的数据都包装在这里面。它与HashMap中的定义很相似,但是但是有一些差别它对value和next属性设置了volatile同步锁(与JDK7的Segment相同),它不允许调用setValue方法直接改变Node的value域,它增加了find方法辅助map.get()方法。
1 | static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { |
其中value和next都用volatile修饰,保证并发的可见性。
TreeNode
树节点类,另外一个核心的数据结构。当链表长度过长的时候,会转换为TreeNode。但是与HashMap不相同的是,它并不是直接转换为红黑树,而是把这些结点包装成TreeNode放在TreeBin对象中,由TreeBin完成对红黑树的包装。而且TreeNode在ConcurrentHashMap集成自Node类,而并非HashMap中的集成自LinkedHashMap.Entry<K,V>类,也就是说TreeNode带有next指针,这样做的目的是方便基于TreeBin的访问。
1 | /** |
TreeBin
这个类并不负责包装用户的key、value信息,而是包装的很多TreeNode节点。它代替了TreeNode的根节点,也就是说在实际的ConcurrentHashMap“数组”中,存放的是TreeBin对象,而不是TreeNode对象,这是与HashMap的区别。另外这个类还带有了读写锁。
1 | /** |
ForwardingNode
一个用于连接两个table的节点类。它包含一个nextTable指针,用于指向下一张表。而且这个节点的key value next指针全部为null,它的hash值为-1. 这里面定义的find的方法是从nextTable里进行查询节点,而不是以自身为头节点进行查找。
1 |
|
3、核心方法
ConcurrentHashMap定义了三个原子操作,用于对指定位置的节点进行操作。正是这些原子操作保证了ConcurrentHashMap的线程安全。
1 | //获得在i位置上的Node节点 |
3.1 初始化
对于ConcurrentHashMap来说,调用它的构造方法仅仅是设置了一些参数而已。而整个table的初始化是在向ConcurrentHashMap中插入元素的时候发生的。如调用put、computeIfAbsent、compute、merge等方法的时候,调用时机是检查table==null。
1 | /** |
3.2 扩容
如果新增节点之后,所在链表的元素个数达到了阈值 8,则会调用treeifyBin方法把链表转换成红黑树,不过在结构转换之前,会对数组长度进行判断,如果数组长度n小于阈值MIN_TREEIFY_CAPACITY,默认是64,则会调用tryPresize方法把数组长度扩大到原来的两倍,并触发transfer方法,重新调整节点的位置。
新增节点之后,会调用addCount方法记录元素个数,并检查是否需要进行扩容,当数组元素个数达到阈值时,会触发transfer方法,重新调整节点的位置。
transfer实现
整个扩容操作分为两个部分:
第一部分是构建一个nextTable,它的容量是原来的两倍,这个操作是单线程完成的。这个单线程的保证是通过RESIZE_STAMP_SHIFT这个常量经过一次运算来保证的;
第二个部分就是将原来table中的元素复制到nextTable中,这里允许多线程进行操作。
先来看一下单线程是如何完成的,它的大体思想就是遍历、复制的过程。首先根据运算得到需要遍历的次数i,然后利用tabAt方法获得i位置的元素:
如果这个位置为空,就在原table中的i位置放入forwardNode节点,这个也是触发并发扩容的关键点;
如果这个位置是Node节点(fh>=0),如果它是一个链表的头节点,就构造一个反序链表,把他们分别放在nextTable的i和i+n的位置上
如果这个位置是TreeBin节点(fh<0),也做一个反序处理,并且判断是否需要untreefi,把处理的结果分别放在nextTable的i和i+n的位置上
遍历过所有的节点以后就完成了复制工作,这时让nextTable作为新的table,并且更新sizeCtl为新容量的0.75倍 ,完成扩容。
再看一下多线程是如何完成的:
如果遍历到的节点是forward节点,就向后继续遍历,再加上给节点上锁的机制,就完成了多线程的控制。多线程遍历节点,处理了一个节点,就把对应点的值set为forward,另一个线程看到forward,就向后遍历。这样交叉就完成了复制工作。而且还很好的解决了线程安全的问题。
1 | /** |
3.3 put
这个put方法依然沿用HashMap的put方法的思想,根据hash值计算这个新插入的点在table中的位置i,如果i位置是空的,直接放进去,否则进行判断,如果i位置是树节点,按照树的方式插入新的节点,否则把i插入到链表的末尾。ConcurrentHashMap中依然沿用这个思想,有一个最重要的不同点就是ConcurrentHashMap不允许key或value为null值。另外由于涉及到多线程,put方法就要复杂一点。在多线程中可能有以下两个情况:
如果一个或多个线程正在对ConcurrentHashMap进行扩容操作,当前线程也要进入扩容的操作中。这个扩容的操作之所以能被检测到,是因为transfer方法中在空结点上插入forward节点,如果检测到需要插入的位置被forward节点占有,就帮助进行扩容;
如果检测到要插入的节点是非空且不是forward节点,就对这个节点加锁,这样就保证了线程安全。尽管这个有一些影响效率,但是还是会比hashTable的synchronized要好得多。‘
整体流程就是首先定义不允许key或value为null的情况放入 对于每一个放入的值,首先利用spread方法对key的hashcode进行一次hash计算,由此来确定这个值在table中的位置。
如果这个位置是空的,那么直接放入,而且不需要加锁操作。
如果这个位置存在结点,说明发生了hash碰撞,首先判断这个节点的类型。如果是链表节点(fh>0),则得到的结点就是hash值相同的节点组成的链表的头节点。需要依次向后遍历确定这个新加入的值所在位置。如果遇到hash值与key值都与新加入节点是一致的情况,则只需要更新value值即可。否则依次向后遍历,直到链表尾插入这个结点。如果加入这个节点以后链表长度大于8,就把这个链表转换成红黑树。如果这个节点的类型已经是树节点的话,直接调用树节点的插入方法进行插入新的值。
1 | /** |
我们可以发现JDK8中的实现也是锁分离的思想,只是锁住的是一个Node,而不是JDK7中的Segment,而锁住Node之前的操作是无锁的并且也是线程安全的,建立在之前提到的3个原子操作上。
3.4 get
get方法比较简单,给定一个key来确定value的时候,必须满足两个条件 key相同 hash值相同,对于节点可能在链表或树上的情况,需要分别去查找。
1 | public V get(Object key) { |