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java ConcurrentHashMap结构学习

李轼 集合 2021-11-29 22:44 239人围观

腾讯云服务器

2 Map

2.1 ConcurrentHashMap

2.1.1 整体架构

1. 类注释

  • 所有的操作都是线程安全的,使用时无需再加锁;
  • 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;
  • 迭代过程中,即使 Map 结构被修改,也不会抛 ConcurrentModificationException 异常;
  • 除了数组 + 链表 + 红黑树的基本结构外,新增了转移节点,是为了保证扩容时的线程安全的节点;
  • 提供了很多 Stream 流式方法,如 forEach、search、reduce 等等。

2. 结构

ConcurrentHashMap 和 HashMap 两者的相同之处:

  • 数组、链表结构几乎相同,底层对数据结构的操作思路是相同的(只是思路相同,底层实现不同);
  • 都实现了 Map 接口,继承了 AbstractMap 抽象类,所以大多数的方法也都是相同的,HashMap 有的方法,ConcurrentHashMap 几乎都有,所以当我们需要从 HashMap 切换到 ConcurrentHashMap 时,无需关心两者之间的兼容问题。

不同之处:

  • 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 仅仅维护红黑树的属性和查找功能,新增了 TreeBin,来维护红黑树结构,并负责根节点的加锁和解锁;
  • ConcurrentHashMap 新增了 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。

2.1.2 新增节点

1. put 源码

1)源码思路

①如果数组为空,初始化,初始化完成之后,走 ②;

②计算当前槽点有没有值,没有值的话,cas 创建,失败继续自旋(for 死循环),直到成功,槽点有值的话,走③;

③如果槽点是转移节点(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;

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;

⑤新增完成之后 check 需不需要扩容,需要的话去扩容。

2)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;
}

2. put 中保证线程安全的几种方式

数组初始化时保证线程安全的两种方式:

  • 通过自旋来保证一定可以初始化成功;

  • 通过 CAS 设置 SIZECTL 变量的值,来保证同一时刻只能有一个线程对数组进行初始化,CAS 成功之后,还会再次判断当前数组是否已经初始化完成,如果已经初始化完成,就不会再次初始化

即通过自旋 + CAS + 双重 check 等手段保证了数组初始化时的线程安全。

//初始化 table,通过对 sizeCtl 的变量赋值来保证数组只能被初始化一次
private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    //通过自旋保证初始化成功
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // 小于 0 代表有线程正在初始化,释放当前 CPU 的调度权,重新发起锁的竞争
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        // CAS 赋值保证当前只有一个线程在初始化,-1 代表当前只有一个线程能初始化
        // 保证了数组的初始化的安全性
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                // 很有可能执行到这里的时候,table 已经不为空了,这里是双重 check
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    // 进行初始化
                    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;
}

3. 新增槽点值时的线程安全

为了保证线程安全,做了四处优化:

①通过自旋死循环保证一定可以新增成功。

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。

②当前槽点为空时,通过 CAS 新增。

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。

③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。

④红黑树旋转时,锁住红黑树的根节点,保证同一时刻,当前红黑树只能被一个线程旋转。

通过自旋 + CAS + 锁的方式,保证了在各种情况下的新增(不考虑扩容的情况下),都是线程安全的。

4. 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。

1)扩容思路

ConcurrentHashMap 的扩容方法是 transfer(从 put 方法的 addCount 方法进去):

①首先需要把老数组的值全部拷贝到扩容之后的新数组上,先从数组的队尾开始拷贝;

②拷贝数组的槽点时,先把原数组槽点锁住,保证原数组槽点不能操作,成功拷贝到新数组时,把原数组槽点赋值为转移节点;

③此时如果有新数据正好需要 put 到此槽点时,发现槽点为转移节点,就会一直等待,所以在扩容完成之前,该槽点对应的数据是不会发生变化的;

④从数组的尾部拷贝到头部,每拷贝成功一次,就把原数组中的节点设置成转移节点;

⑤直到所有数组数据都拷贝到新数组时,直接把新数组整个赋值给数组容器,拷贝完成。

2)关键源码

// 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;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

3)保证线程安全的方式

  • 拷贝槽点时,锁住原数组的槽点;
  • 拷贝成功后,会把原数组的槽点设置成转移节点,这样如果有数据需要 put 到该节点时,发现该槽点是转移节点,会一直等待,直到扩容成功之后,才能继续 put(参考 put 方法中的 helpTransfer 方法);
  • 从尾到头进行拷贝,拷贝成功就把原数组的槽点设置成转移节点;
  • 等扩容拷贝都完成之后,直接把新数组的值赋值给数组容器,之前等待 put 的数据才能继续 put。

2.1.3 获取节点数据

1. get 源码

1)源码思路

①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;

②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。

2)具体源码

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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