ConcurrentHashMap1.8详解
类注释
- 新增转移节点，为了保证扩容时的线程安全
- 多个线程同时进行 put、remove 等操作时并不会阻塞，可以同时进行，和 HashTable 不同，HashTable 在操作时，会锁住整个 Map
- 操作均为线程安全的，无需再次加锁
结构
-
红黑树结构略有不同，HashMap 的红黑树中的节点叫做 TreeNode，TreeNode 不仅仅有属性，还维护着红黑树的结构，比如说查找，新增等等；ConcurrentHashMap 中红黑树被拆分成两块，TreeNode 仅仅维护的属性和查找功能，新增了 TreeBin，来维护红黑树结构，并负责根节点的加锁和解锁；
-
新增 ForwardingNode （转移）节点，扩容的时候会使用到，通过使用该节点，来保证扩容时的线程安全。
-
基于 Node（静态内部类），CAS，sync
-
synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发
put方法详解
- 数组为空则初始化
- 当前槽点是否有值
- 没有值则cas创建（防止多个线程同时判断为空，进入逻辑），失败继续自旋（for 死循环），直到成功
- 槽点有值的话转3
- 如果槽点是转移结点（正在扩容），就会一直自旋等待扩容完成之后再新增，不是转移节点走 4；
- 槽点有值的，先锁定当前槽点，保证其余线程不能操作，如果是链表，新增值到链表的尾部，如果是红黑树，使用红黑树新增的方法新增；
- 新增完成之后 check 需不需要扩容，需要的话去扩容。
具体源码
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
//计算hash
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
//table是空的，进行初始化
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
//如果当前索引位置没有值，直接创建
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//cas 在 i 位置创建新的元素，当 i 位置是空时，即能创建成功，结束for自循，否则继续自旋
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
//如果当前槽点是转移节点，表示该槽点正在扩容，就会一直等待扩容完成
//转移节点的 hash 值是固定的，都是 MOVED
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
//槽点上有值的
else {
V oldVal = null;
//锁定当前槽点，其余线程不能操作，保证了安全
synchronized (f) {
//这里再次判断 i 索引位置的数据没有被修改
//binCount 被赋值的话，说明走到了修改表的过程里面
if (tabAt(tab, i) == f) {
//链表
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//值有的话，直接返回
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;
//把新增的元素赋值到链表的最后，退出自旋
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
//红黑树，这里没有使用 TreeNode,使用的是 TreeBin，TreeNode 只是红黑树的一个节点
//TreeBin 持有红黑树的引用，并且会对其加锁，保证其操作的线程安全
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
binCount = 2;
//满足if的话，把老的值给oldVal
//在putTreeVal方法里面，在给红黑树重新着色旋转的时候
//会锁住红黑树的根节点
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
//binCount不为空，并且 oldVal 有值的情况，说明已经新增成功了
if (binCount != 0) {
// 链表是否需要转化成红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
//这一步几乎走不到。槽点已经上锁，只有在红黑树或者链表新增失败的时候
//才会走到这里，这两者新增都是自旋的，几乎不会失败
break;
}
}
}
//check 容器是否需要扩容，如果需要去扩容，调用 transfer 方法去扩容
//如果已经在扩容中了，check有无完成
addCount(1L, binCount);
return null;
}
复制代码新增槽点时的线程安全
- 通过自旋死循环保证一定新增成功
- 在新增之前，通过 for (Node<K,V>[] tab = table;;) 这样的死循环来保证新增一定可以成功，一旦新增成功，就可以退出当前死循环，新增失败的话，会重复新增的步骤，直到新增成功为止。
- 当前槽点为空时，通过 CAS 新增
- Java 这里的写法非常严谨，没有在判断槽点为空的情况下直接赋值，因为在判断槽点为空和赋值的瞬间，很有可能槽点已经被其他线程赋值了，所以我们采用 CAS 算法，能够保证槽点为空的情况下赋值成功
- 如果恰好槽点已经被其他线程赋值，当前 CAS 操作失败，会再次执行 for 自旋，再走槽点有值的 put 流程，这里就是自旋 + CAS 的结合
- 当前槽点有值，锁住当前槽点
- put 时，如果当前槽点有值，就是 key 的 hash 冲突的情况，此时槽点上可能是链表或红黑树，我们通过锁住槽点，来保证同一时刻只会有一个线程能对槽点进行修改，截图如下：
扩容时的线程安全
ConcurrentHashMap 的扩容时机和 HashMap 相同，都是在 put 方法的最后一步检查是否需要扩容，如果需要则进行扩容，但两者扩容的过程完全不同，ConcurrentHashMap 扩容的方法叫做 transfer，从 put 方法的 addCount 方法进去，就能找到 transfer 方法，transfer 方法的主要思路是：
- 老数组的值拷贝到新数组上，从队尾开始拷贝
- 把原数组的槽点锁住，保证不能操作，槽点拷贝完成，原数组槽点设为转移节点
- 新数据put时发现时转移节点，则等待扩容完成
- 所有槽点拷贝完成，把新数组整个赋值给数组容器，拷贝完成 源代码：
// 扩容主要分 2 步，第一新建新的空数组，第二移动拷贝每个元素到新数组中去
// tab：原数组，nextTab：新数组
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
// 老数组的长度
int n = tab.length, stride;
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
// 如果新数组为空，初始化，大小为原数组的两倍，n << 1
if (nextTab == null) { // initiating
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
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;
}
// 新数组的长度
int nextn = nextTab.length;
// 代表转移节点，如果原数组上是转移节点，说明该节点正在被扩容
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
// 无限自旋，i 的值会从原数组的最大值开始，慢慢递减到 0
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
// 结束循环的标志
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
// 已经拷贝完成
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
// 每次减少 i 的值
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
// if 任意条件满足说明拷贝结束了
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
// 拷贝结束，直接赋值，因为每次拷贝完一个节点，都在原数组上放转移节点，所以拷贝完成的节点的数据一定不会再发生变化。
// 原数组发现是转移节点，是不会操作的，会一直等待转移节点消失之后在进行操作。
// 也就是说数组节点一旦被标记为转移节点，是不会再发生任何变动的，所以不会有任何线程安全的问题
// 所以此处直接赋值，没有任何问题。
if (finishing) {
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)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // already processed
else {
synchronized (f) {
// 进行节点的拷贝
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;
}
// 如果节点只有单个数据，直接拷贝，如果是链表，循环多次组成链表拷贝
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);
}
// 在新数组位置上放置拷贝的值
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
// 在老数组位置上放上 ForwardingNode 节点
// put 时，发现是 ForwardingNode 节点，就不会再动这个节点的数据了
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
// 红黑树的拷贝
else if (f instanceof TreeBin) {
// 红黑树的拷贝工作，同 HashMap 的内容，代码忽略
…………
// 在老数组位置上放上 ForwardingNode 节点
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
}
}
}
}
}
复制代码get
- ConcurrentHashMap 读的话，就比较简单，先获取数组的下标，然后通过判断数组下标的 key 是否和我们的 key 相等，相等的话直接返回，如果下标的槽点是链表或红黑树的话，分别调用相应的查找数据的方法，整体思路和 HashMap 很像
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
//计算hashcode
int h = spread(key.hashCode());
//不是空的数组 && 并且当前索引的槽点数据不是空的
//否则该key对应的值不存在，返回null
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
//槽点第一个值和key相等，直接返回
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
//如果是红黑树或者转移节点，使用对应的find方法
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
//如果是链表，遍历查找
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
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