JUC併發工具八-ConcurrentHashMap原理簡析

目錄

1 幾個重要的狀態值

1.1 每個槽點頭結點的hash值

1.2 sizeCtl

2 源碼鑑賞

2.1 put方法

2.2 初始化table

2.3 擴容

2.3.1 協助擴容(helpTransfer)

2.3.2 擴容(transfer)

2.4 嘗試轉二叉樹(treeifyBin)

2.5 get元素


ConcurrentHashMap是jdk1.8中非常重要以及常用的工具類,通過CAS機制高性能的進行線程安全地添加、獲取、擴容等操作,這裏簡單瞭解一下實現機制

1 幾個重要的狀態值

1.1 每個槽點頭結點的hash值

    >0:普通Node,該位置是一個鏈表
    -1:ForwardingNode,表示正在擴容
    -2:TreeNode,該位置是一個紅黑樹

1.2 sizeCtl

    -1 代表table正在初始化 
    -N 表示有N-1個線程正在進行擴容操作 
    > 0 
        1 如果table未初始化,表示table需要初始化的大小。 
        2 如果table初始化完成,表示擴容閾值,默認是table容量 * 0.75

2 源碼鑑賞

2.1 put方法

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    // 離散哈希,使生成的hash更有隨機性
    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)
            // 初始化table
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 如果某個位置鏈表爲空則初始化
            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)
            // 如果鏈表頭結點hash值=-1,則表示當前table正在擴容(下文會分析擴容代碼),則當前線程協助擴容。
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            // 終於進入正題了,開始put元素
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        // 如果fh >0 表示f是鏈表(fh = -2表示紅黑樹)
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                // 如果待添加的key和某個節點key相同,並且允許覆蓋,則覆蓋
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                // 如果當前節點下一個元素爲空,則說明找到尾節點,把新節點添加到尾節點後面即可
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        // 如果該該位置是紅黑樹則通過紅黑樹追加元素
                        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)
                    // 如果鏈表長度 > 8則嘗試轉紅黑樹
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

2.2 初始化table

初始化table比較簡單,計算好table容量大小後創建一個Node數組即可

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            // 如果sizeCtl < 0表示其他線程在初始化table,這裏線程讓步
            Thread.yield();
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            // 開始初始化table,把sizeCtl的值設置爲-1,表示正在初始化
            try {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    // 計算需要生成的table大小
                    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;
}

2.3 擴容

2.3.1 協助擴容(helpTransfer)

final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
    Node<K,V>[] nextTab; int sc;
    if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
        (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
        // 擴容的時候會給擴容完成的槽點放一個ForwardingNode,表示正在擴容
        int rs = resizeStamp(tab.length);
        while (nextTab == nextTable && table == tab &&
               (sc = sizeCtl) < 0) {
            if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
                break;
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                // 擴容操作
                transfer(tab, nextTab);
                break;
            }
        }
        return nextTab;
    }
    return table;
}

2.3.2 擴容(transfer)

擴容的時候根據處理器個數分配擴容槽點,創建一個二倍容量的新table
每個槽點擴容到時候加鎖,擴容完成後方放一個ForwardingNode,表示該槽點已經擴容完畢。

private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
    int n = tab.length, stride;
    if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
        // 計算每個線程需要擴容的槽點個數
        stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
    if (nextTab == null) {            // initiating
        try {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 創建一個nextTable,大小爲table兩倍
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        nextTable = nextTab;
        transferIndex = n;
    }
    int nextn = nextTab.length;
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    boolean advance = true;
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            }
            else if (U.compareAndSwapInt
                     (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                      nextBound = (nextIndex > stride ?
                                   nextIndex - stride : 0))) {
                bound = nextBound;
                i = nextIndex - 1;
                advance = false;
            }
        }
        if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
            int sc;
            if (finishing) {
                // 如果已經完成擴容,則把table指向nextTab,sizeCtl設置爲n的1.5倍,即newTable的0.75倍
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                return;
            }
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                finishing = advance = true;
                i = n; // recheck before commit
            }
        }
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
            // 如果當前位置節點爲空,則放置fwd,表示該鏈表已經遷移完成
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            // 該槽點已經遷移完成
            advance = true;
        else {
            synchronized (f) {
                // 遷移f節點所屬的鏈表
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K,V> ln, hn;
                    if (fh >= 0) {
                        int runBit = fh & n;
                        Node<K,V> lastRun = f;
                        for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            int b = p.hash & n;
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b;
                                lastRun = p;
                            }
                        }
                        if (runBit == 0) {
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        }
                        else {
                            hn = lastRun;
                            ln = null;
                        }
                        for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                            int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                            if ((ph & n) == 0)
                                ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                            else
                                hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                        TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            }
                            else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }
                        ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

2.4 嘗試轉二叉樹(treeifyBin)

private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
    Node<K,V> b; int n, sc;
    if (tab != null) {
        if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            // 如果table長度小於轉二叉樹閾值則進行擴容
            tryPresize(n << 1);
        else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
            // 鏈表轉二叉樹
            synchronized (b) {
                if (tabAt(tab, index) == b) {
                    TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
                    for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
                        TreeNode<K,V> p =
                            new TreeNode<K,V>(e.hash, e.key, e.val,
                                              null, null);
                        if ((p.prev = tl) == null)
                            hd = p;
                        else
                            tl.next = p;
                        tl = p;
                    }
                    // 設置二叉樹,頭結點是一個TreeBin,hash=-2
                    setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
                }
            }
        }
    }
}

2.5 get元素

get方法比較簡單,計算出key所在的槽點後取元素即可

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode());
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
        if ((eh = e.hash) == h) {
            // 如果槽點node的哈希值剛好等於key的哈希值則直接返回
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        else if (eh < 0)
            // 如果槽點處的哈希值小於0則表示是紅黑樹,通過紅黑樹取元素
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        // 通過鏈表取元素
        while ((e = e.next) != null) {
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}


這裏說一下tabAt方法,獲取某個位置node的時候不用table[(n - 1) & h]的原因是雖然table是volatile的,每個線程可以取到最新的table,
但不能表示table數組中每一個元素是volatile的,所以可能取不到最新的元素。
通過(Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE)方法直接讀取指定內存的數據,可以保證獲取的元素是最新的

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