ConcurrentHashMap原理分析

ConcurrentHashMap原理分析

  很多网上的面试笔试题集锦都有关于HashTable和HashMap的区别,比如HashTable是线程安全的,key值不允许为空;而HashMap不是线程安全的,key值允许为空;两者的父不同,一个是Directory,一个是Map; 由于HashMap不是线程同步的,如果需要使用一个线程同步的HashMap,则需要额外进行同步的逻辑代码编写;或者也可以使用CollectionUtils提供的synchronizedMap()方法,该方法会返回一个线程同步的Map,这种方法也会额外增加同步的代价。JDK1.5提供了ConcurrentHashMap提供了简单、安全且代价较小的HashMap同步。

一、ConcurrentHashMap同步原理概述

   不管是HashTable还是synchronizedMap的同步,都是使用了锁原理。操作需要访问对象,首先对其加锁;操作结束后,释放锁。通过Hashtable分析文已经就知道,HashTable的synchronized加锁是针对整张Hash表的,即每次操作都锁住整张表;而ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行,其关键在于使用了Lock Stripping,即锁分离、分段锁或段锁技术。分段锁使用了多个锁来控制对hash表的不同部分进行的修改。ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分,每个段其实就是一个小的hash table,它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上,它们就可以并发进行。由于引起了并发概念,其效率相对全部加锁就有了明显改善。

二、ConcurrentHashMap结构

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   由图中可以看出,我们可以将整张ConcurrentHashMap划分成不同的段,每个段可以看做一个HashTable,每个HashTable使用不同的锁,段更进一步细分就是entry即实体。即:

 /**
     * The segments, each of which is a specialized hash table
     */
    final Segment<K,V>[] segments;

ConcurrentHashMap的概念包含ConcurrentHashMap、Segment和HashEntry。HashEntry定义如下:

 static final class HashEntry<K,V> {
        final K key;
        final int hash;
        volatile V value;
        final HashEntry<K,V> next;

        HashEntry(K key, int hash, HashEntry<K,V> next, V value) {
            this.key = key;
            this.hash = hash;
            this.next = next;
            this.value = value;
        }

	@SuppressWarnings("unchecked")
	static final <K,V> HashEntry<K,V>[] newArray(int i) {
	    return new HashEntry[i];
	}
    }

读操作不需要加锁

  可以看出,除了value以外,其他值均是final的(包括next),这就意味着添加entry只能在头上,而不能在中间或尾端。为了确保读操作能够看到最新的值,将value设置成volatile,这避免了加锁,从而提高了读的效率。

定位段的方法

     为了加快定位段以及段中hash槽的速度,每个段hash槽的的个数都是2^n,这使得通过位运算就可以定位段和段中hash槽的位置。当并发级别为默认值16时,也就是段的个数,hash值的高4位决定分配在哪个段中,后四位决定段中的座标。

    /**
     * Mask value for indexing into segments. The upper bits of a
     * key's hash code are used to choose the segment.
     */
    final int segmentMask;

    /**
     * Shift value for indexing within segments.
     */
    final int segmentShift;

   segmentFor(int n)方法

/**
     * Returns the segment that should be used for key with given hash
     * @param hash the hash code for the key
     * @return the segment
     */
    final Segment<K,V> segmentFor(int hash) {
        return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];
    }

段的定义:

        /*
         * Segments maintain a table of entry lists that are ALWAYS
         * kept in a consistent state, so can be read without locking.
         * Next fields of nodes are immutable (final).  All list
         * additions are performed at the front of each bin. This
         * makes it easy to check changes, and also fast to traverse.
         * When nodes would otherwise be changed, new nodes are
         * created to replace them. This works well for hash tables
         * since the bin lists tend to be short. (The average length
         * is less than two for the default load factor threshold.)
         *
         * Read operations can thus proceed without locking, but rely
         * on selected uses of volatiles to ensure that completed
         * write operations performed by other threads are
         * noticed. For most purposes, the "count" field, tracking the
         * number of elements, serves as that volatile variable
         * ensuring visibility.  This is convenient because this field
         * needs to be read in many read operations anyway:
         *
         *   - All (unsynchronized) read operations must first read the
         *     "count" field, and should not look at table entries if
         *     it is 0.
         *
         *   - All (synchronized) write operations should write to
         *     the "count" field after structurally changing any bin.
         *     The operations must not take any action that could even
         *     momentarily cause a concurrent read operation to see
         *     inconsistent data. This is made easier by the nature of
         *     the read operations in Map. For example, no operation
         *     can reveal that the table has grown but the threshold
         *     has not yet been updated, so there are no atomicity
         *     requirements for this with respect to reads.
         *
         * As a guide, all critical volatile reads and writes to the
         * count field are marked in code comments.
         */

        private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;

        /**
         * The number of elements in this segment's region.
         */
        transient volatile int count;

        /**
         * Number of updates that alter the size of the table. This is
         * used during bulk-read methods to make sure they see a
         * consistent snapshot: If modCounts change during a traversal
         * of segments computing size or checking containsValue, then
         * we might have an inconsistent view of state so (usually)
         * must retry.
         */
        transient int modCount;

        /**
         * The table is rehashed when its size exceeds this threshold.
         * (The value of this field is always <tt>(int)(capacity *
         * loadFactor)</tt>.)
         */
        transient int threshold;

        /**
         * The per-segment table.
         */
        transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

        /**
         * The load factor for the hash table.  Even though this value
         * is same for all segments, it is replicated to avoid needing
         * links to outer object.
         * @serial
         */
        final float loadFactor;

   count用来统计该段数据的个数,它是volatile,它用来协调修改和读取操作,以保证读取操作能够读取到几乎最新的修改。协调方式是这样的,每次修改操作做了结构上的改变,如增加/删除节点(修改节点的值不算结构上的改变),都要写count值,每次读取操作开始都要读取count的值。这利用了 Java 5中对volatile语义的增强,对同一个volatile变量的写和读存在happens-before关系。modCount统计段结构改变的次数,主要是为了检测对多个段进行遍历过程中某个段是否发生改变,在讲述跨段操作时会还会详述。threashold用来表示需要进行rehash的界限值。table数组存储段中节点,每个数组元素是个hash链,用HashEntry表示。table也是volatile,这使得能够读取到最新的 table值而不需要同步。

       删除操作的代码

  /**
         * Remove; match on key only if value null, else match both.
         */
        V remove(Object key, int hash, Object value) {
            lock();//加锁
            try {
                int c = count - 1;
                HashEntry<K,V>[] tab = table;//优化volatile
                int index = hash & (tab.length - 1);//找到第一个节点位置
                HashEntry<K,V> first = tab[index];//找到第一个节点
                HashEntry<K,V> e = first;
                while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
                    e = e.next;//找到要删除的节点

                V oldValue = null;
                if (e != null) {
                    V v = e.value;
                    if (value == null || value.equals(v)) {//找到要删除的值
                        oldValue = v;
                        // All entries following removed node can stay
                        // in list, but all preceding ones need to be
                        // cloned.将删除 素之前的元素全部clone,然后将第一个指向删除元素///的next,第2个指向第1个,第3个,指向第二个,将删除元素的的前驱设置为第一个元素
                        ++modCount;
                        HashEntry<K,V> newFirst = e.next;
                        for (HashEntry<K,V> p = first; p != e; p = p.next)
                            newFirst = new HashEntry<K,V>(p.key, p.hash,
                                                          newFirst, p.value);
                        tab[index] = newFirst;
                        count = c; // write-volatile
                    }
                }
                return oldValue;
            } finally {
                unlock();
            }
        }

  添加操作的代码

  V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            lock();
            try {
                int c = count;
                if (c++ > threshold) // ensure capacity,如超限,rehash
                    rehash();
                HashEntry<K,V>[] tab = table;
                int index = hash & (tab.length - 1);
                HashEntry<K,V> first = tab[index];
                HashEntry<K,V> e = first;
                while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key)))
                    e = e.next;//遍历 

                V oldValue;
                if (e != null) {//如找到相同key,value直接替换
                    oldValue = e.value;
                    if (!onlyIfAbsent)
                        e.value = value;
                }
                else {//如未找到,创建一个新元素,指向first
                    oldValue = null;
                    ++modCount;
                    tab[index] = new HashEntry<K,V>(key, hash, first, value);
                    count = c; // write-volatile
                }
                return oldValue;
            } finally {
                unlock();
            }
        }

读操作

  V get(Object key, int hash) {
            if (count != 0) { // read-volatile
                HashEntry<K,V> e = getFirst(hash);//获取头节点
                while (e != null) {
                    if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {
                        V v = e.value;
                        if (v != null)
                            return v;
                        //如空表明有其他操作在改变元素值或table结构,需要加锁读
                        return readValueUnderLock(e); // recheck
                    }
                    e = e.next;
                }
            }
            return null;
        }


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