ConcurrentHashMap源碼分析_JDK1.8版本

時間  2019-11-06
標籤 concurrenthashmap 源碼 分析 jdk1.8 jdk 版本 欄目 Java 简体版
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ConcurrentHashMap源碼分析_JDK1.8版本

聲明

文章均爲本人技術筆記，轉載請註明出處
[1] https://segmentfault.com/u/yzwall
[2] blog.csdn.net/j_dark/html

JDK1.6版本

ConcurrentHashMap結構

JDK1.6下ConcurrentHashMap結構

在JDK1.6中，ConcurrentHashMap將數據分紅一段一段存儲，給每一段數據配一把鎖，當一個線程得到鎖互斥訪問一個段數據時，其餘段的數據也可被其餘線程訪問；每一個Segment擁有一把可重入鎖，所以ConcurrentHashMap的分段鎖數目即爲Segment數組長度。ConcurrentHashMap結構：每個segment都是一個HashEntry<K,V>[] table， table中的每個元素本質上都是一個HashEntry的單向隊列（單向鏈表實現）。每個segment都是一個HashEntry<K,V>[] table， table中的每個元素本質上都是一個HashEntry的單向隊列。java

鎖分離實現

當一個線程訪問Node/鍵值對數據時，必須得到與它對應的segment鎖，其餘線程能夠訪問其餘Segment中的數據（鎖分離）；算法

ConcurrentHashMap聲明

public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable編程

無鎖算法：CAS

樂觀鎖與悲觀鎖

  • 悲觀鎖好比synchronized鎖，爲確保其餘線程不會干擾當前線程工做，所以掛起其餘須要鎖的線程，等待持有鎖的線程釋放；segmentfault

  • 樂觀鎖老是假設沒有衝突發生去作操做，若是檢測到衝突就失敗重試，知道成功爲止；數組

CAS算法

CAS(Compare And Swap)：CAS算法包含三個參數CAS(V, E, N)，判斷預期值E和內存舊值是否相同(Compare)，若是相等用新值N覆蓋舊值V(Swap)，不然失敗；
當多個線程嘗試使用CAS同時更新同一個變量時，只有其中一個線程能更新變量的值，其餘線程失敗（失敗線程不會被阻塞，而是被告知「失敗」，能夠繼續嘗試）；
CAS在硬件層面能夠被編譯爲機器指令執行，所以性能高於基於鎖佔有方式實現線程安全；安全

ConcurrentHashMap結構圖示

HashMap結構

與JDK1.6對比

JDK 1.8取消類segments字段，直接用table數組存儲鍵值對，JDK1.6中每一個bucket中鍵值對組織方式是單向鏈表，查找複雜度是O(n)，JDK1.8中當鏈表長度超過TREEIFY_THRESHOLD時，鏈表轉換爲紅黑樹，查詢複雜度能夠下降到O(log n)，改進性能；數據結構

鎖分離

JDK1.8中，一個線程每次對一個桶（鏈表 or 紅黑樹）進行加鎖，其餘線程仍然能夠訪問其餘桶；多線程

線程安全

ConcurrentHashMap底層數據結構與HashMap相同，仍然採用table數組+鏈表+紅黑樹結構；
一個線程進行put/remove操做時，對桶（鏈表 or 紅黑樹）加上synchronized獨佔鎖；
ConcurrentHashMap採用CAS算法保證線程安全；併發

ConcurrentHashMap基本數據結構

  • transient volatile Node<K,V>[] table：鍵值對桶數組

  • private transient volatile Node<K,V>[] nextTable： rehash擴容時用到的新鍵值對數組

  • private transient volatile long baseCount：<span id = "jump1"></span>記錄當前鍵值對總數，經過CAS更新，對全部線程可見

  • private transient volatile int sizeCtl

  • sizeCtl表示鍵值對總數閾值，經過CAS更新, 對全部線程可見

    • 當sizeCtl < 0時，表示多個線程在等待擴容；

    • 當sizeCtl = 0時，默認值；

    • 當sizeCtl > 0時，表示擴容的閾值；

  • private transient volatile int cellBusy：自旋鎖；

  • private transient volatile CounterCell[] counterCells: counter cell表，長度總爲2的冪次；

  • static class Segment<K,V>：在JDK1.8中，Segment類僅僅在序列化和反序列化時發揮做用；

// 視圖
private transient KeySetView<K,V> keySet
private transient ValuesView<K,V> values
private transient EntrySetView<K,V> entrySet

描述鍵值對：Node<K, V>

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    // 鍵值對的value和next均爲volatile類型
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
    ...
}

ConcurrentHashMap重要方法分析

構造函數

ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel)

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (initialCapacity < concurrencyLevel)   // Use at least as many bins
        initialCapacity = concurrencyLevel;   // as estimated threads
    long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
    int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
        MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
    this.sizeCtl = cap;
}

該構造器會根據輸入的initialCapacity肯定一個 >= initialCapacity的最小2的次冪；

concurrentLevel：在JDK1.8以前本質是ConcurrentHashMap分段鎖總數，表示同時更新ConcurrentHashMap且不產生鎖競爭的最大線程數；在JDK1.8中，僅在構造器中確保初始容量>=concurrentLevel，爲兼容舊版本而保留；

添加/更新鍵值對：putVal

putVal方法分析

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;
    
    // 不斷CAS探測，若是其餘線程正在修改tab，CAS嘗試失敗，直到成功爲止
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 空表，對tab進行初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        /**
         * CAS探測空桶
         * 計算key所在bucket表中數組索引: i = (n - 1) & hash)
         */
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // CAS添加新鍵值對
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        // 檢測到tab[i]桶正在進行rehash,
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 對桶的首元素上鎖獨佔
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 桶中鍵值對組織形式是鏈表
                    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;
                                // 查找到對應鍵值對，更新值
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            // 桶中沒有對應鍵值對，插入到鏈表尾部
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 桶中鍵值對組織形式是紅黑樹
                    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;
                        }
                    }
                }
            }
            // 檢查桶中鍵值對總數
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    // 鏈表轉換爲紅黑樹
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 更新baseCount
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

synchronized (f) {}操做經過對桶的首元素 = 鏈表表頭 Or 紅黑樹根節點加鎖，從而實現對整個桶進行加鎖，有鎖分離思想的體現；

獲取鍵值對：get

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;
}

get方法經過CAS保證鍵值對的原子性，當tab[i]被鎖住，CAS失敗並不斷重試，保證get不會出錯；

刪除鍵值對：remove

擴容機制

transfer

當baseCount超過sizeCtl，將table中全部bin內的鍵值對拷貝到nextTable；
待補充；

helpTransfer

待補充；

table原子操做方法

獲取tab[i]：tabAt

static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
    return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}

tabAt方法原子讀取table[i]；調用Unsafe對象的getObjectVolatile方法獲取tab[i]，因爲對volatile寫操做happen-before於volatile讀操做，所以其餘線程對table的修改均對get讀取可見；
((long)i << ASHIFT) + ABASE)計算i元素的地址

CAS算法更新鍵值對：casTabAt

static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
                                    Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
    return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}

casTabAt經過compareAndSwapObject方法比較tabp[i]和v是否相等，相等就用c更新tab[i];

更新鍵值對：setTabAt

static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {
    U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}

僅在synchronized同步塊中被調用，更新鍵值對；

CAS更新baseCount

addCountaddCount

private final void addCount(long x, int check) {
    CounterCell[] as; long b, s;
    // s = b + x，完成baseCount++操做；
    if ((as = counterCells) != null ||
        !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
        CounterCell a; long v; int m;
        boolean uncontended = true;
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended =
              U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
            // 多線程CAS發生失敗時執行
            fullAddCount(x, uncontended);
            return;
        }
        if (check <= 1)
            return;
        s = sumCount();
    }
    if (check >= 0) {
        Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
        // 當更新後的鍵值對總數baseCount >= 閾值sizeCtl時，進行rehash
        while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
               (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
            int rs = resizeStamp(n);
            // sc < 0 表示其餘線程已經在rehash
            if (sc < 0) {
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                // 其餘線程的rehash操做已經完成，當前線程能夠進行rehash
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
            // sc >= 0 表示只有當前線程在進行rehash操做，調用輔助擴容方法transfer
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                         (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                transfer(tab, null);
            s = sumCount();
        }
    }
}

addCount負責對baseCount + 1操做，CounterCell是Striped64類型，不然應對高併發問題；

fullAddCount

待補充；

參考

[1] 《Java併發編程的藝術》
[2]   http://www.cnblogs.com/leesf4...
[3]   http://blog.csdn.net/u0108877...
[4]   http://www.cnblogs.com/Mainz/...
[5]   http://www.cnblogs.com/huaizu...
[6]   http://www.cnblogs.com/everSe...

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