Java集合之ConcurrentHashMap
前言
CocurrentHashMap是线程安全且高效的HashMap，在并发编程中使用HashMap可能导致程序死循环。而使用线程安全的HashTable效率又非常低下，基于以上两个原因，便有了ConcurrentHashMap的登场。
jdk1.7 ConcurrentHashMap的结构
通过ConcurrentHashMap的类图来分析ConcurrentHashMap的结构，如图所示
ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成的。Segment是一种可重入锁（ReentrantLock），在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色；HashEntry则用于存储键值对数据。
整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。注意，行文中，我很多地方用了“槽”来代表一个 segment。简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承 ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。如图：
ConcurrentHashMap的初始化
ConcurrentHashMap初始化方法是通过initialCapacity、loadFactor和concurrencyLevel等几个参数来初始化segment数组、段偏移量segmentShift、段掩码segmentMask和每个segment里的HashEntry数组来完成实现的。
1.初始化segments数组
让我们来看一下segments数组的源代码。
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
int sshift = 0;
int ssize = 1;
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
this.segmentShift = 32 - sshift;
this.segmentMask = ssize - 1;由上面的代码可知，segments数组的长度ssize是通过concurrencyLevel计算得出的。为了能够通过按位与的散列算法来定位segments数组的索引，必须保证segments数组的长度是2的N次方（power-of-two sizes），所以必须计算出一个大于或等于concurrencyLevel的最小的2的N次方值来作为segments数组的长度。假如concurrencyLevel等于14、15或16，ssize都会等于16，即容器里锁的个数也是16.（ConcurrencyLevel的最大值是65535，这意味着segments数组的长度最大为65536，对应的二进制是16位）
2.初始化segmentsShift和segmentMask
这两个全局变量需要在定位segments时的散列算法里使用，sshift等于ssize从1向左移位的次数，在默认情况下concurrencyLevel等于16,1需要向左移动4次，所以sshift等于4.segmentShift用于定位参与散列运算的位数，segmentShift等于32减sshift，所以等于28，这里之所以用32是因为ConcurrentHashMap里的hash（）方法输出的最大数时32位的，后面的测试中我们可以看到这点。segmentsMask散列运算的掩码，等于ssize减一即15，掩码的二进制各个位的值都是1。因为ssize的最大长度是65536，所以segmentShift最大值16，segmentMask最大值是65535，对应的二进制是16位，每个为都是1。
3.初始化每个segment
输入参数initialCapacity是ConcurrentHashMap的初始化容量，loadfactor是每个segment的负载因子，在构造方法里需要通过这两个参数来初始化数组中的每个segment。
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
//变量cap就是segment里HashEntry数组的长度
//MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITYmore
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
Segment<K,V> s0 =
new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
(HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
this.segments = ss;初始化完成，我们得到了一个 Segment 数组。我们就当是用 new ConcurrentHashMap() 无参构造函数进行初始化的，那么初始化完成后：
Segment 数组长度为 16，不可以扩容
Segment[i] 的默认大小为 2，负载因子是 0.75，得出初始阈值为 1.5，也就是以后插入第一个元素不会触发扩容，插入第二个会进行第一次扩容
这里初始化了 segment[0]，其他位置还是 null，至于为什么要初始化 segment[0]，后面的代码会介绍
当前 segmentShift 的值为 32 - 4 = 28，segmentMask 为 16 - 1 = 15，姑且把它们简单翻译为移位数和掩码，这两个值马上就会用到
put过程分析
put源码如下：
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
// 1. 计算 key 的 hash 值
int hash = hash(key);
// 2. 根据 hash 值找到 Segment 数组中的位置 j
// hash 是 32 位，无符号右移 segmentShift(28) 位，剩下高 4 位，
// 然后和 segmentMask(15) 做一次与操作，也就是说 j 是 hash 值的高 4 位，也就是槽的数组下标
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
// 刚刚说了，初始化的时候初始化了 segment[0]，但是其他位置还是 null，
// ensureSegment(j) 对 segment[j] 进行初始化
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
// 3. 插入新值到 槽 s 中
return s.put(key, hash, value, false);
}
第一层根据 hash 值很快就能找到相应的 Segment，之后就是 Segment 内部的 put 操作了。Segment 内部是由数组+链表组成的。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 在往该 segment 写入前，需要先获取该 segment 的独占锁
// 先看主流程，后面还会具体介绍这部分内容
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
// 这个是 segment 内部的数组
HashEntry<K,V>[] tab = table;
// 再利用 hash 值，求应该放置的数组下标
int index = (tab.length - 1) & hash;
// first 是数组该位置处的链表的表头
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
// 下面这串 for 循环虽然很长，不过也很好理解，想想该位置没有任何元素和已经存在一个链表这两种情况
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
// 覆盖旧值
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
// 继续顺着链表走
e = e.next;
}
else {
// node 到底是不是 null，这个要看获取锁的过程，不过和这里都没有关系。
// 如果不为 null，那就直接将它设置为链表表头；如果是null，初始化并设置为链表表头。
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
// 如果超过了该 segment 的阈值，这个 segment 需要扩容
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node); // 扩容后面也会具体分析
else
// 没有达到阈值，将 node 放到数组 tab 的 index 位置，
// 其实就是将新的节点设置成原链表的表头
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
// 解锁
unlock();
}
return oldValue;
}由于有独占锁的保护，所以 segment 内部的操作并不复杂。至于这里面的并发问题，我们稍后再进行介绍。到这里 put 操作就结束了，接下来，我们说一说其中几步关键的操作。
初始化槽: ensureSegment
ConcurrentHashMap 初始化的时候会初始化第一个槽 segment[0]，对于其他槽来说，在插入第一个值的时候进行初始化。这里需要考虑并发，因为很可能会有多个线程同时进来初始化同一个槽 segment[k]，不过只要有一个成功了就可以。
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
Segment<K,V> seg;
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
// 这里看到为什么之前要初始化 segment[0] 了，
// 使用当前 segment[0] 处的数组长度和负载因子来初始化 segment[k]
// 为什么要用“当前”，因为 segment[0] 可能早就扩容过了
Segment<K,V> proto = ss[0];
int cap = proto.table.length;
float lf = proto.loadFactor;
int threshold = (int)(cap * lf);
// 初始化 segment[k] 内部的数组
HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) { // 再次检查一遍该槽是否被其他线程初始化了。
Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
// 使用 while 循环，内部用 CAS，当前线程成功设值或其他线程成功设值后，退出
while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
break;
}
}
}
return seg;
}对于并发操作使用 CAS 进行控制。如果当前线程 CAS 失败，这里的 while 循环是为了将 seg 赋值返回。
获取写入锁: scanAndLockForPut
前面我们看到，在往某个 segment 中 put 的时候，首先会调用 node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value)，也就是说先进行一次 tryLock() 快速获取该 segment 的独占锁，如果失败，那么进入到 scanAndLockForPut 这个方法来获取锁。
下面我们来具体分析这个方法中是怎么控制加锁的。
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
HashEntry<K,V> e = first;
HashEntry<K,V> node = null;
int retries = -1; // negative while locating node
// 循环获取锁
while (!tryLock()) {
HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
if (retries < 0) {
if (e == null) {
if (node == null) // speculatively create node
// 进到这里说明数组该位置的链表是空的，没有任何元素
// 当然，进到这里的另一个原因是 tryLock() 失败，所以该槽存在并发，不一定是该位置
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
retries = 0;
}
else if (key.equals(e.key))
retries = 0;
else
// 顺着链表往下走
e = e.next;
}
// 重试次数如果超过 MAX_SCAN_RETRIES（单核1多核64），那么不抢了，进入到阻塞队列等待锁
// lock() 是阻塞方法，直到获取锁后返回
else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
lock();
break;
}
else if ((retries & 1) == 0 &&
// 这个时候是有大问题了，那就是有新的元素进到了链表，成为了新的表头
// 所以这边的策略是，相当于重新走一遍这个 scanAndLockForPut 方法
(f = entryForHash(this, hash)) != first) {
e = first = f; // re-traverse if entry changed
retries = -1;
}
}
return node;
}这个方法有两个出口，一个是 tryLock() 成功了，循环终止，另一个就是重试次数超过了 MAX_SCAN_RETRIES，进到 lock() 方法，此方***阻塞等待，直到成功拿到独占锁。
这个方法就是看似复杂，但是其实就是做了一件事，那就是获取该segment的独占锁，如果需要的话顺便实例化了一下 node。
get 过程分析
计算 hash 值，找到 segment 数组中的具***置，或我们前面用的“槽”
槽中也是一个数组，根据 hash 找到数组中具体的位置
到这里是链表了，顺着链表进行查找即可
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
// 1. hash 值
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
// 2. 根据 hash 找到对应的 segment
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
// 3. 找到segment 内部数组相应位置的链表，遍历
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) 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;
}
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