前言
Map 這樣的Key Value在軟件開發(fā)中是非常經(jīng)典的結(jié)構(gòu)澳眷,常用于在內(nèi)存中存放數(shù)據(jù)。
本篇主要想討論 ConcurrentHashMap 這樣一個并發(fā)容器秉扑,在正式開始之前我覺得有必要談?wù)?HashMap寞缝,沒有它就不會有后面的 ConcurrentHashMap。
HashMap
眾所周知 HashMap 底層是基于數(shù)組 + 鏈表組成的嫡霞,不過在 jdk1.7 和 1.8 中具體實現(xiàn)稍有不同。
Base 1.7
1.7 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖:
先來看看 1.7 中的實現(xiàn)希柿。
這是 HashMap 中比較核心的幾個成員變量诊沪;看看分別是什么意思养筒?
初始化桶大小,因為底層是數(shù)組端姚,所以這是數(shù)組默認(rèn)的大小晕粪。
桶最大值。
默認(rèn)的負(fù)載因子(0.75)
table真正存放數(shù)據(jù)的數(shù)組渐裸。
Map存放數(shù)量的大小巫湘。
桶大小,可在初始化時顯式指定昏鹃。
負(fù)載因子尚氛,可在初始化時顯式指定。
重點解釋下負(fù)載因子:
由于給定的 HashMap 的容量大小是固定的洞渤,比如默認(rèn)初始化:
public HashMap() {
? ? this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
? ? if (initialCapacity < 0)
? ? ? ? throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? initialCapacity);
? ? if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
? ? ? ? initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
? ? if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
? ? ? ? throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? loadFactor);
? ? this.loadFactor = loadFactor;
? ? threshold = initialCapacity;
? ? init();
}
給定的默認(rèn)容量為 16阅嘶,負(fù)載因子為 0.75。Map 在使用過程中不斷的往里面存放數(shù)據(jù)载迄,當(dāng)數(shù)量達(dá)到了16 * 0.75 = 12就需要將當(dāng)前 16 的容量進(jìn)行擴容讯柔,而擴容這個過程涉及到 rehash、復(fù)制數(shù)據(jù)等操作护昧,所以非常消耗性能磷杏。
因此通常建議能提前預(yù)估 HashMap 的大小最好,盡量的減少擴容帶來的性能損耗捏卓。
根據(jù)代碼可以看到其實真正存放數(shù)據(jù)的是
transient Entry[] table = (Entry[]) EMPTY_TABLE;
這個數(shù)組,那么它又是如何定義的呢慈格?
Entry 是 HashMap 中的一個內(nèi)部類怠晴,從他的成員變量很容易看出:
key 就是寫入時的鍵。
value 自然就是值浴捆。
開始的時候就提到 HashMap 是由數(shù)組和鏈表組成蒜田,所以這個 next 就是用于實現(xiàn)鏈表結(jié)構(gòu)。
hash 存放的是當(dāng)前 key 的 hashcode选泻。
知曉了基本結(jié)構(gòu)冲粤,那來看看其中重要的寫入、獲取函數(shù):
put 方法
public V put(K key, V value) {
? ? if (table == EMPTY_TABLE) {
? ? ? ? inflateTable(threshold);
? ? }
? ? if (key == null)
? ? ? ? return putForNullKey(value);
? ? int hash = hash(key);
? ? int i = indexFor(hash, table.length);
? ? for (Entry e = table[i]; e != null; e = e.next) {
? ? ? ? Object k;
? ? ? ? if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
? ? ? ? ? ? V oldValue = e.value;
? ? ? ? ? ? e.value = value;
? ? ? ? ? ? e.recordAccess(this);
? ? ? ? ? ? return oldValue;
? ? ? ? }
? ? }
? ? modCount++;
? ? addEntry(hash, key, value, i);
? ? return null;
}
判斷當(dāng)前數(shù)組是否需要初始化页眯。
如果 key 為空梯捕,則 put 一個空值進(jìn)去。
根據(jù) key 計算出 hashcode窝撵。
根據(jù)計算出的 hashcode 定位出所在桶傀顾。
如果桶是一個鏈表則需要遍歷判斷里面的 hashcode、key 是否和傳入 key 相等碌奉,如果相等則進(jìn)行覆蓋短曾,并返回原來的值寒砖。
如果桶是空的,說明當(dāng)前位置沒有數(shù)據(jù)存入嫉拐;新增一個 Entry 對象寫入當(dāng)前位置哩都。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
? ? if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
? ? ? ? resize(2 * table.length);
? ? ? ? hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
? ? ? ? bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
? ? }
? ? createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
? ? Entry e = table[bucketIndex];
? ? table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
? ? size++;
}
當(dāng)調(diào)用 addEntry 寫入 Entry 時需要判斷是否需要擴容。
如果需要就進(jìn)行兩倍擴充婉徘,并將當(dāng)前的 key 重新 hash 并定位漠嵌。
而在createEntry中會將當(dāng)前位置的桶傳入到新建的桶中,如果當(dāng)前桶有值就會在位置形成鏈表判哥。
get 方法
再來看看 get 函數(shù):
public V get(Object key) {
? ? if (key == null)
? ? ? ? return getForNullKey();
? ? Entry entry = getEntry(key);
? ? return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry getEntry(Object key) {
? ? if (size == 0) {
? ? ? ? return null;
? ? }
? ? int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
? ? for (Entry e = table[indexFor(hash, table.length)];
? ? ? ? e != null;
? ? ? ? e = e.next) {
? ? ? ? Object k;
? ? ? ? if (e.hash == hash &&
? ? ? ? ? ? ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
? ? ? ? ? ? return e;
? ? }
? ? return null;
}
首先也是根據(jù) key 計算出 hashcode献雅,然后定位到具體的桶中。
判斷該位置是否為鏈表塌计。
不是鏈表就根據(jù)key挺身、key 的 hashcode是否相等來返回值。
為鏈表則需要遍歷直到 key 及 hashcode 相等時候就返回值锌仅。
啥都沒取到就直接返回 null 章钾。
Base 1.8
不知道 1.7 的實現(xiàn)大家看出需要優(yōu)化的點沒有?
其實一個很明顯的地方就是:
當(dāng) Hash 沖突嚴(yán)重時热芹,在桶上形成的鏈表會變的越來越長贱傀,這樣在查詢時的效率就會越來越低;時間復(fù)雜度為O(N)伊脓。
因此 1.8 中重點優(yōu)化了這個查詢效率府寒。
1.8 HashMap 結(jié)構(gòu)圖:
先來看看幾個核心的成員變量:
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
/**
* The maximum capacity, used if a higher value is implicitly specified
* by either of the constructors with arguments.
* MUST be a power of two <= 1<<30.
*/
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
/**
* The load factor used when none specified in constructor.
*/
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
transient Node[] table;
/**
* Holds cached entrySet(). Note that AbstractMap fields are used
* for keySet() and values().
*/
transient Set> entrySet;
/**
* The number of key-value mappings contained in this map.
*/
transient int size;
和 1.7 大體上都差不多,還是有幾個重要的區(qū)別:
TREEIFY_THRESHOLD用于判斷是否需要將鏈表轉(zhuǎn)換為紅黑樹的閾值报腔。
HashEntry 修改為 Node株搔。
Node 的核心組成其實也是和 1.7 中的 HashEntry 一樣,存放的都是key value hashcode next等數(shù)據(jù)纯蛾。
再來看看核心方法纤房。
put 方法
看似要比 1.7 的復(fù)雜,我們一步步拆解:
判斷當(dāng)前桶是否為空翻诉,空的就需要初始化(resize 中會判斷是否進(jìn)行初始化)炮姨。
根據(jù)當(dāng)前 key 的 hashcode 定位到具體的桶中并判斷是否為空,為空表明沒有 Hash 沖突就直接在當(dāng)前位置創(chuàng)建一個新桶即可碰煌。
如果當(dāng)前桶有值( Hash 沖突)舒岸,那么就要比較當(dāng)前桶中的key、key 的 hashcode與寫入的 key 是否相等芦圾,相等就賦值給e,在第 8 步的時候會統(tǒng)一進(jìn)行賦值及返回吁津。
如果當(dāng)前桶為紅黑樹,那就要按照紅黑樹的方式寫入數(shù)據(jù)。
如果是個鏈表碍脏,就需要將當(dāng)前的 key梭依、value 封裝成一個新節(jié)點寫入到當(dāng)前桶的后面(形成鏈表)。
接著判斷當(dāng)前鏈表的大小是否大于預(yù)設(shè)的閾值典尾,大于時就要轉(zhuǎn)換為紅黑樹役拴。
如果在遍歷過程中找到 key 相同時直接退出遍歷。
如果e != null就相當(dāng)于存在相同的 key,那就需要將值覆蓋钾埂。
最后判斷是否需要進(jìn)行擴容河闰。
get 方法
public V get(Object key) {
? ? Node e;
? ? return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
final Node getNode(int hash, Object key) {
? ? Node[] tab; Node first, e; int n; K k;
? ? if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
? ? ? ? (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
? ? ? ? if (first.hash == hash && // always check first node
? ? ? ? ? ? ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
? ? ? ? ? ? return first;
? ? ? ? if ((e = first.next) != null) {
? ? ? ? ? ? if (first instanceof TreeNode)
? ? ? ? ? ? ? ? return ((TreeNode)first).getTreeNode(hash, key);
? ? ? ? ? ? do {
? ? ? ? ? ? ? ? if (e.hash == hash &&
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? return e;
? ? ? ? ? ? } while ((e = e.next) != null);
? ? ? ? }
? ? }
? ? return null;
}
get 方法看起來就要簡單許多了。
首先將 key hash 之后取得所定位的桶褥紫。
如果桶為空則直接返回 null 姜性。
否則判斷桶的第一個位置(有可能是鏈表、紅黑樹)的 key 是否為查詢的 key髓考,是就直接返回 value部念。
如果第一個不匹配,則判斷它的下一個是紅黑樹還是鏈表氨菇。
紅黑樹就按照樹的查找方式返回值儡炼。
不然就按照鏈表的方式遍歷匹配返回值。
從這兩個核心方法(get/put)可以看出 1.8 中對大鏈表做了優(yōu)化查蓉,修改為紅黑樹之后查詢效率直接提高到了O(logn)乌询。
但是 HashMap 原有的問題也都存在,比如在并發(fā)場景下使用時容易出現(xiàn)死循環(huán)豌研。
final HashMap map = new HashMap();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
? ? new Thread(new Runnable() {
? ? ? ? @Override
? ? ? ? public void run() {
? ? ? ? ? ? map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
? ? ? ? }
? ? }).start();
}
但是為什么呢妹田?簡單分析下。
看過上文的還記得在 HashMap 擴容的時候會調(diào)用resize()方法鹃共,就是這里的并發(fā)操作容易在一個桶上形成環(huán)形鏈表秆麸;這樣當(dāng)獲取一個不存在的 key 時,計算出的 index 正好是環(huán)形鏈表的下標(biāo)就會出現(xiàn)死循環(huán)及汉。
如下圖:
遍歷方式
還有一個值得注意的是 HashMap 的遍歷方式,通常有以下幾種:
Iterator> entryIterator = map.entrySet().iterator();
? ? ? ? while (entryIterator.hasNext()) {
? ? ? ? ? ? Map.Entry next = entryIterator.next();
? ? ? ? ? ? System.out.println("key=" + next.getKey() + " value=" + next.getValue());
? ? ? ? }
Iterator iterator = map.keySet().iterator();
? ? ? ? while (iterator.hasNext()){
? ? ? ? ? ? String key = iterator.next();
? ? ? ? ? ? System.out.println("key=" + key + " value=" + map.get(key));
? ? ? ? }
強烈建議使用第一種 EntrySet 進(jìn)行遍歷屯烦。
第一種可以把 key value 同時取出坷随,第二種還得需要通過 key 取一次 value,效率較低驻龟。
簡單總結(jié)下 HashMap:無論是 1.7 還是 1.8 其實都能看出 JDK 沒有對它做任何的同步操作温眉,所以并發(fā)會出問題,甚至 1.7 中出現(xiàn)死循環(huán)導(dǎo)致系統(tǒng)不可用(1.8 已經(jīng)修復(fù)死循環(huán)問題)翁狐。
因此 JDK 推出了專項專用的 ConcurrentHashMap 类溢,該類位于java.util.concurrent包下,專門用于解決并發(fā)問題。
堅持看到這里的朋友算是已經(jīng)把 ConcurrentHashMap 的基礎(chǔ)已經(jīng)打牢了闯冷,下面正式開始分析砂心。
ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap 同樣也分為 1.7 、1.8 版蛇耀,兩者在實現(xiàn)上略有不同辩诞。
Base 1.7
先來看看 1.7 的實現(xiàn),下面是他的結(jié)構(gòu)圖:
如圖所示纺涤,是由 Segment 數(shù)組译暂、HashEntry 組成,和 HashMap 一樣撩炊,仍然是數(shù)組加鏈表外永。
它的核心成員變量:
/**
* Segment 數(shù)組,存放數(shù)據(jù)時首先需要定位到具體的 Segment 中拧咳。
*/
final Segment[] segments;
transient Set keySet;
transient Set> entrySet;
Segment 是 ConcurrentHashMap 的一個內(nèi)部類伯顶,主要的組成如下:
static final class Segment extends ReentrantLock implements Serializable {
? ? ? private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;
? ? ? // 和 HashMap 中的 HashEntry 作用一樣,真正存放數(shù)據(jù)的桶
? ? ? transient volatile HashEntry[] table;
? ? ? transient int count;
? ? ? transient int modCount;
? ? ? transient int threshold;
? ? ? final float loadFactor;
}
看看其中 HashEntry 的組成:
和 HashMap 非常類似呛踊,唯一的區(qū)別就是其中的核心數(shù)據(jù)如 value 砾淌,以及鏈表都是Volatile修飾的,保證了獲取時的可見性谭网。
原理上來說:ConcurrentHashMap 采用了分段鎖技術(shù)汪厨,其中 Segment 繼承于 ReentrantLock。不會像 HashTable 那樣不管是 put 還是 get 操作都需要做同步處理愉择,理論上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 數(shù)組數(shù)量)的線程并發(fā)劫乱。每當(dāng)一個線程占用鎖訪問一個 Segment 時,不會影響到其他的 Segment锥涕。
下面也來看看核心的put get方法衷戈。
put 方法
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);
}
首先是通過 key 定位到 Segment,之后在對應(yīng)的 Segment 中進(jìn)行具體的 put层坠。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
? ? HashEntry node = tryLock() ? null :
? ? ? ? scanAndLockForPut(key, hash, value);
? ? V oldValue;
? ? try {
? ? ? ? HashEntry[] tab = table;
? ? ? ? int index = (tab.length - 1) & hash;
? ? ? ? HashEntry first = entryAt(tab, index);
? ? ? ? for (HashEntry e = first;;) {
? ? ? ? ? ? if (e != null) {
? ? ? ? ? ? ? ? K k;
? ? ? ? ? ? ? ? if ((k = e.key) == key ||
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (e.hash == hash && key.equals(k))) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? oldValue = e.value;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if (!onlyIfAbsent) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? e.value = value;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ++modCount;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? ? ? e = e.next;
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? else {
? ? ? ? ? ? ? ? if (node != null)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? node.setNext(first);
? ? ? ? ? ? ? ? else
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? node = new HashEntry(hash, key, value, first);
? ? ? ? ? ? ? ? int c = count + 1;
? ? ? ? ? ? ? ? if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? rehash(node);
? ? ? ? ? ? ? ? else
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? setEntryAt(tab, index, node);
? ? ? ? ? ? ? ? ++modCount;
? ? ? ? ? ? ? ? count = c;
? ? ? ? ? ? ? ? oldValue = null;
? ? ? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? }
? ? } finally {
? ? ? ? unlock();
? ? }
? ? return oldValue;
}
雖然 HashEntry 中的 value 是用 volatile 關(guān)鍵詞修飾的殖妇,但是并不能保證并發(fā)的原子性,所以 put 操作時仍然需要加鎖處理破花。
首先第一步的時候會嘗試獲取鎖谦趣,如果獲取失敗肯定就有其他線程存在競爭,則利用scanAndLockForPut()自旋獲取鎖座每。
嘗試自旋獲取鎖前鹅。
如果重試的次數(shù)達(dá)到了MAX_SCAN_RETRIES則改為阻塞鎖獲取,保證能獲取成功峭梳。
再結(jié)合圖看看 put 的流程舰绘。
將當(dāng)前 Segment 中的 table 通過 key 的 hashcode 定位到 HashEntry。
遍歷該 HashEntry,如果不為空則判斷傳入的 key 和當(dāng)前遍歷的 key 是否相等捂寿,相等則覆蓋舊的 value口四。
不為空則需要新建一個 HashEntry 并加入到 Segment 中,同時會先判斷是否需要擴容者蠕。
最后會解除在 1 中所獲取當(dāng)前 Segment 的鎖窃祝。
get 方法
public V get(Object key) {
? ? Segment s; // manually integrate access methods to reduce overhead
? ? HashEntry[] tab;
? ? int h = hash(key);
? ? long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
? ? if ((s = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
? ? ? ? (tab = s.table) != null) {
? ? ? ? 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;
}
get 邏輯比較簡單:
只需要將 Key 通過 Hash 之后定位到具體的 Segment ,再通過一次 Hash 定位到具體的元素上踱侣。
由于 HashEntry 中的 value 屬性是用 volatile 關(guān)鍵詞修飾的粪小,保證了內(nèi)存可見性,所以每次獲取時都是最新值抡句。
ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的探膊,因為整個過程都不需要加鎖。
Base 1.8
1.7 已經(jīng)解決了并發(fā)問題待榔,并且能支持 N 個 Segment 這么多次數(shù)的并發(fā)逞壁,但依然存在 HashMap 在 1.7 版本中的問題。
那就是查詢遍歷鏈表效率太低锐锣。
因此 1.8 做了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的調(diào)整腌闯。
首先來看下底層的組成結(jié)構(gòu):
看起來是不是和 1.8 HashMap 結(jié)構(gòu)類似?
其中拋棄了原有的 Segment 分段鎖雕憔,而采用了CAS + synchronized來保證并發(fā)安全性姿骏。
也將 1.7 中存放數(shù)據(jù)的 HashEntry 改為 Node,但作用都是相同的斤彼。
其中的val next都用了 volatile 修飾分瘦,保證了可見性。
put 方法
重點來看看 put 函數(shù):
根據(jù) key 計算出 hashcode 。
判斷是否需要進(jìn)行初始化。
f即為當(dāng)前 key 定位出的 Node除破,如果為空表示當(dāng)前位置可以寫入數(shù)據(jù),利用 CAS 嘗試寫入去团,失敗則自旋保證成功。
如果當(dāng)前位置的hashcode == MOVED == -1,則需要進(jìn)行擴容穷蛹。
如果都不滿足土陪,則利用 synchronized 鎖寫入數(shù)據(jù)。
如果數(shù)量大于TREEIFY_THRESHOLD則要轉(zhuǎn)換為紅黑樹俩莽。
get 方法
根據(jù)計算出來的 hashcode 尋址,如果就在桶上那么直接返回值乔遮。
如果是紅黑樹那就按照樹的方式獲取值扮超。
就不滿足那就按照鏈表的方式遍歷獲取值。
1.8 在 1.7 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上做了大的改動,采用紅黑樹之后可以保證查詢效率(O(logn))出刷,甚至取消了 ReentrantLock 改為了 synchronized璧疗,這樣可以看出在新版的 JDK 中對 synchronized 優(yōu)化是很到位的。
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總結(jié)
看完了整個 HashMap 和 ConcurrentHashMap 在 1.7 和 1.8 中不同的實現(xiàn)方式相信大家對他們的理解應(yīng)該會更加到位。
其實這塊也是面試的重點內(nèi)容胰锌,通常的套路是:
談?wù)勀憷斫獾?HashMap骗绕,講講其中的 get put 過程。
1.8 做了什么優(yōu)化资昧?
是線程安全的嘛酬土?
不安全會導(dǎo)致哪些問題?
如何解決榛搔?有沒有線程安全的并發(fā)容器诺凡?
ConcurrentHashMap 是如何實現(xiàn)的? 1.7践惑、1.8 實現(xiàn)有何不同腹泌?為什么這么做?
這一串問題相信大家仔細(xì)看完都能懟回面試官尔觉。
除了面試會問到之外平時的應(yīng)用其實也蠻多凉袱,像之前談到的Guava 中 Cache的實現(xiàn)就是利用 ConcurrentHashMap 的思想。
同時也能學(xué)習(xí) JDK 作者大牛們的優(yōu)化思路以及并發(fā)解決方案侦铜。
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