ConcurrentHashMap源碼分析
- table：默認為null，初始化發(fā)生在第一次插入操作薄湿，默認大小為16的數(shù)組鸭廷，用來存儲Node節(jié)點數(shù)據(jù)枝缔，擴容時大小總是2的冪次方布疙。
- nextTable：默認為null，擴容時新生成的數(shù)組愿卸，其大小為原數(shù)組的兩倍灵临。
- sizeCtl ：默認為0，用來控制table的初始化和擴容操作趴荸，具體應(yīng)用在后續(xù)會體現(xiàn)出來儒溉。
- **-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
- 其余情況：
1、如果table未初始化赊舶，表示table需要初始化的大小睁搭。
2、如果table初始化完成笼平，表示table的容量，默認是table大小的0.75倍舔痪，居然用這個公式算0.75（n - (n >>> 2)）寓调。 - Node：保存key，value及key的hash值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)锄码。
class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V val;
volatile Node<K,V> next;
...
}
其中value和next都用volatile修飾夺英，保證并發(fā)的可見性。
- ForwardingNode：一個特殊的Node節(jié)點滋捶，hash值為-1痛悯，其中存儲nextTable的引用。
final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
final Node<K,V>[] nextTable;
ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
super(MOVED, null, null, null);
this.nextTable = tab;
}
}
只有table發(fā)生擴容的時候重窟，F(xiàn)orwardingNode才會發(fā)揮作用载萌，作為一個占位符放在table中表示當(dāng)前節(jié)點為null或則已經(jīng)被移動。
實例初始化
實例化ConcurrentHashMap時帶參數(shù)時巡扇，會根據(jù)參數(shù)調(diào)整table的大小扭仁，假設(shè)參數(shù)為100，最終會調(diào)整成256厅翔，確保table的大小總是2的冪次方乖坠，算法如下：
ConcurrentHashMap<String, String> hashMap = new ConcurrentHashMap<>(100);
private static final int tableSizeFor(int c) {
int n = c - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
注意，ConcurrentHashMap在構(gòu)造函數(shù)中只會初始化sizeCtl值刀闷，并不會直接初始化table熊泵，而是延緩到第一次put操作仰迁。
table初始化
前面已經(jīng)提到過，table初始化操作會延緩到第一次put行為顽分。但是put是可以并發(fā)執(zhí)行的徐许，Doug Lea是如何實現(xiàn)table只初始化一次的？讓我們來看看源碼的實現(xiàn)怯邪。
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//如果一個線程發(fā)現(xiàn)sizeCtl<0绊寻，意味著另外的線程執(zhí)行CAS操作成功，當(dāng)前線程只需要讓出cpu時間片
if ((sc = sizeCtl) < 0)
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;
}
sizeCtl默認為0悬秉，如果ConcurrentHashMap實例化時有傳參數(shù)澄步，sizeCtl會是一個2的冪次方的值。所以執(zhí)行第一次put操作的線程會執(zhí)行Unsafe.compareAndSwapInt方法修改sizeCtl為-1和泌，有且只有一個線程能夠修改成功村缸，其它線程通過Thread.yield()讓出CPU時間片等待table初始化完成。
put操作
假設(shè)table已經(jīng)初始化完成武氓，put操作采用CAS+synchronized實現(xiàn)并發(fā)插入或更新操作梯皿，具體實現(xiàn)如下。
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
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)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
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);
...省略部分代碼
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
- hash算法
static final int spread(int h) {return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;}
- table中定位索引位置县恕，n是table的大小
int index = (n - 1) & hash
- 獲取table中對應(yīng)索引的元素f东羹。
Doug Lea采用Unsafe.getObjectVolatile來獲取，也許有人質(zhì)疑忠烛，直接table[index]不可以么属提，為什么要這么復(fù)雜？
在java內(nèi)存模型中美尸，我們已經(jīng)知道每個線程都有一個工作內(nèi)存冤议，里面存儲著table的副本，雖然table是volatile修飾的师坎，但不能保證線程每次都拿到table中的最新元素恕酸，Unsafe.getObjectVolatile可以直接獲取指定內(nèi)存的數(shù)據(jù)，保證了每次拿到數(shù)據(jù)都是最新的胯陋。 - 如果f為null蕊温，說明table中這個位置第一次插入元素，利用Unsafe.compareAndSwapObject方法插入Node節(jié)點惶岭。
- 如果CAS成功寿弱，說明Node節(jié)點已經(jīng)插入，隨后addCount(1L, binCount)方法會檢查當(dāng)前容量是否需要進行擴容按灶。
- 如果CAS失敗症革，說明有其它線程提前插入了節(jié)點，自旋重新嘗試在這個位置插入節(jié)點鸯旁。
- 如果f的hash值為-1噪矛，說明當(dāng)前f是ForwardingNode節(jié)點量蕊，意味有其它線程正在擴容，則一起進行擴容操作艇挨。
- 其余情況把新的Node節(jié)點按鏈表或紅黑樹的方式插入到合適的位置残炮，這個過程采用同步內(nèi)置鎖實現(xiàn)并發(fā)，代碼如下:
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
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) {
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;
}
}
}
}
在節(jié)點f上進行同步缩滨，節(jié)點插入之前势就，再次利用tabAt(tab, i) == f判斷，防止被其它線程修改脉漏。
- 如果f.hash >= 0苞冯，說明f是鏈表結(jié)構(gòu)的頭結(jié)點，遍歷鏈表侧巨，如果找到對應(yīng)的node節(jié)點舅锄，則修改value，否則在鏈表尾部加入節(jié)點司忱。
- 如果f是TreeBin類型節(jié)點皇忿，說明f是紅黑樹根節(jié)點，則在樹結(jié)構(gòu)上遍歷元素坦仍，更新或增加節(jié)點鳍烁。
- 如果鏈表中節(jié)點數(shù)binCount >= TREEIFY_THRESHOLD(默認是8)，則把鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹結(jié)構(gòu)繁扎。
table擴容
當(dāng)table容量不足的時候老翘，即table的元素數(shù)量達到容量閾值sizeCtl，需要對table進行擴容锻离。
整個擴容分為兩部分：
- 構(gòu)建一個nextTable，大小為table的兩倍墓怀。
- 把table的數(shù)據(jù)復(fù)制到nextTable中汽纠。
這兩個過程在單線程下實現(xiàn)很簡單，但是ConcurrentHashMap是支持并發(fā)插入的傀履，擴容操作自然也會有并發(fā)的出現(xiàn)虱朵，這種情況下，第二步可以支持節(jié)點的并發(fā)復(fù)制钓账，這樣性能自然提升不少碴犬，但實現(xiàn)的復(fù)雜度也上升了一個臺階。
先看第一步梆暮，構(gòu)建nextTable服协，毫無疑問，這個過程只能只有單個線程進行nextTable的初始化啦粹，具體實現(xiàn)如下：
private final void addCount(long x, int check) {
...
if (check >= 0) {
Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
int rs = resizeStamp(n);
if (sc < 0) {
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
transfer(tab, nt);
}
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);
s = sumCount();
}
}
}
通過Unsafe.compareAndSwapInt修改sizeCtl值偿荷，保證只有一個線程能夠初始化nextTable窘游，擴容后的數(shù)組長度為原來的兩倍，但是容量是原來的1.5跳纳。
節(jié)點從table移動到nextTable忍饰，大體思想是遍歷、復(fù)制的過程寺庄。
- 首先根據(jù)運算得到需要遍歷的次數(shù)i艾蓝，然后利用tabAt方法獲得i位置的元素f，初始化一個forwardNode實例fwd斗塘。
- 如果f == null赢织，則在table中的i位置放入fwd，這個過程是采用Unsafe.compareAndSwapObjectf方法實現(xiàn)的逛拱，很巧妙的實現(xiàn)了節(jié)點的并發(fā)移動敌厘。
- 如果f是鏈表的頭節(jié)點，就構(gòu)造一個反序鏈表朽合，把他們分別放在nextTable的i和i+n的位置上俱两，移動完成，采用Unsafe.putObjectVolatile方法給table原位置賦值fwd曹步。
- 如果f是TreeBin節(jié)點宪彩，也做一個反序處理，并判斷是否需要untreeify讲婚，把處理的結(jié)果分別放在nextTable的i和i+n的位置上尿孔，移動完成，同樣采用Unsafe.putObjectVolatile方法給table原位置賦值fwd筹麸。
遍歷過所有的節(jié)點以后就完成了復(fù)制工作活合，把table指向nextTable，并更新sizeCtl為新數(shù)組大小的0.75倍 物赶，擴容完成白指。
紅黑樹構(gòu)造
注意：如果鏈表結(jié)構(gòu)中元素超過TREEIFY_THRESHOLD閾值，默認為8個酵紫，則把鏈表轉(zhuǎn)化為紅黑樹告嘲，提高遍歷查詢效率。
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
接下來我們看看如何構(gòu)造樹結(jié)構(gòu)奖地，代碼如下：
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)
tryPresize(n << 1);
else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
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;
}
setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
}
}
}
}
}
可以看出橄唬，生成樹節(jié)點的代碼塊是同步的，進入同步代碼塊之后参歹，再次驗證table中index位置元素是否被修改過仰楚。
1、根據(jù)table中index位置Node鏈表，重新生成一個hd為頭結(jié)點的TreeNode鏈表缸血。
2蜜氨、根據(jù)hd頭結(jié)點，生成TreeBin樹結(jié)構(gòu)捎泻，并把樹結(jié)構(gòu)的root節(jié)點寫到table的index位置的內(nèi)存中飒炎，具體實現(xiàn)如下：
TreeBin(TreeNode<K,V> b) {
super(TREEBIN, null, null, null);
this.first = b;
TreeNode<K,V> r = null;
for (TreeNode<K,V> x = b, next; x != null; x = next) {
next = (TreeNode<K,V>)x.next;
x.left = x.right = null;
if (r == null) {
x.parent = null;
x.red = false;
r = x;
}
else {
K k = x.key;
int h = x.hash;
Class<?> kc = null;
for (TreeNode<K,V> p = r;;) {
int dir, ph;
K pk = p.key;
if ((ph = p.hash) > h)
dir = -1;
else if (ph < h)
dir = 1;
else if ((kc == null &&
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
dir = tieBreakOrder(k, pk);
TreeNode<K,V> xp = p;
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
x.parent = xp;
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
r = balanceInsertion(r, x);
break;
}
}
}
}
this.root = r;
assert checkInvariants(root);
}
主要根據(jù)Node節(jié)點的hash值大小構(gòu)建二叉樹。這個紅黑樹的構(gòu)造過程實在有點復(fù)雜笆豁，感興趣的同學(xué)可以看看源碼郎汪。
get操作
get操作和put操作相比，顯得簡單了許多闯狱。
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) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
- 判斷table是否為空煞赢，如果為空，直接返回null哄孤。
- 計算key的hash值照筑，并獲取指定table中指定位置的Node節(jié)點，通過遍歷鏈表或則樹結(jié)構(gòu)找到對應(yīng)的節(jié)點瘦陈，返回value值凝危。
