ConcurrentHashMap 源码分析

本文主要是介绍ConcurrentHashMap 源码分析，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

和 HashMap 不同的是，ConcurrentHashMap 采用分段加锁的方式保障线程安全，JDK 1.8 之后，ConcurrentHashMap 的底层数据结构从 1.8 开始跟 HashMap 差不多。

HashTable 也是线程安全的，存储 Key-Value 键值对的数据结构，Key 和 Value 都不能为空，但不推荐使用，因为其所有的方法采用 synchronized 修饰，效率低。

Key 和 Value 都不能为 Null 的原因是：如果 map.get(key) 返回 null，可以认为是 value 的值本来就是 null，也可以认为 map 中不存在 key 的存储数据，因此具有二义性，但 HashMap 在单线程环境，可以通过 map.containsKey(key) 判断，消除而已性。

但在多线程环境中，map.get(key) 和 map.containsKey(key) 是非原子的操作，可能在线程 A 的两个语句运行之间，其他线程 B 运行 map.put(key,value)，导致线程 A 无法消除上面的二义性。

参考 https://www.cnblogs.com/thisiswhy/p/12059240.html

下图是 ConcurrentHashMap 的 UML 关系图。

1、底层存储结构

1.1、JDK 1.7 的存储结构，了解即可

在 JDK 1.7 ，ConcurrentHashMap 通过对 Segment 的分段加锁实现线程安全。一个 Segment 里面就是 HashMap 的存储结构，可以扩容。Segment 的数据量初始化以后不可以更改，默认值 16，因此默认支持 16 个线程同时操作 ConcurrentHashMap。

1.2 JDK 1.8 的存储结构

JDK 1.8 之后，存储结构变化比较大，跟 HashMap 类似。红黑树节点小于某个数(默认值 6) 又会转换为链表。

• [ ] ConcurrentHashMap的主要成员变量，类似 HashMap，补上注释

2、ConcurrentHashMap 的构造方法

ConcurrentHashMap 的默认构造容量为 16，在初始化的时候并不会初始化 table 数组。同 HashMap 一样，在 put 第一个元素的时候才会 initTable() 初始化数组。

/** Creates a new, empty map with the default initial table size (16). */
public ConcurrentHashMap() {
}
// 设置初始化大小的构造函数
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, LOAD_FACTOR, 1);
}
// 根据传入的 map 初始化
public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
    putAll(m);
}
// 设置初始容量和加载因子的大小
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    this(initialCapacity, loadFactor, 1);
}
// 初始容量、加载因子、并发级别
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    // 数据校验
    if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 如果初始容量小于并发级别
    if (initialCapacity < concurrencyLevel)   // Use at least as many bins
        initialCapacity = concurrencyLevel;   // as estimated threads
    // 一些比较
    long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
    int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
        MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
    this.sizeCtl = cap;
}

3、get、put 方法

3.1 get 方法，根据 key 找 value，没有返回 null

get 的流程总体和 HashMap 差不多，只不过是通过头结点的 hash 值判断是红黑树还是链表。

static final int MOVED     = -1; // 转发节点？ TODO 作用？
static final int TREEBIN   = -2; // 跟节点
static final int RESERVED  = -3; // 临时保留的节点？ TODO 作用？
static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // hash 的扰动函数 spread() 计算用的

// 根据 key 获取 value 值
public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    // 计算 hash 值
    int h = spread(key.hashCode());
    // 集散所在的 hash 桶
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
        if ((eh = e.hash) == h) {
            // 头结点，刚好是要找的节点
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        else if (eh < 0)
            // 头结点 hash 值小于 0，说明正在扩容或者是红黑树，find 查找
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {
            // 链表遍历查找
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

3.2、put 方法

put 方法的流程跟 HashMap 的流程差不多，不同点在于线程安全，自旋，CAS，synchronized

onlyIfAbsent 如果为 true ，如果已经存在了 key，不会替换旧的值。

public V put(K key, V value) {
    return putVal(key, value, false);
}

/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // key 和 value 都不能为 null
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    // 计算 hash(key) 的扰动函数
    int hash = spread(key.hashCode());
    // 离岸边的长度
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
        // 如果 table 还没有初始化，就初始化 table （自旋+CAS)
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 如果当前 hash 桶为 null，直接放入，CAS 加入，成功了就直接 break
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
      // TODO : 
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else if (onlyIfAbsent // check first node without acquiring lock
                 && fh == hash
                 && ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))
                 && (fv = f.val) != null)
            return fv;
        else {
            // 旧的值
            V oldVal = null;
            // 加锁
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 如果存在 hash(key) 和 key 对应的节点，直接更改 value 值
                            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;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                // 不存在直接放入，因为前面加锁了
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 如果是红黑树，红黑树插入
                    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;
                        }
                    }
                    else if (f instanceof ReservationNode)
                        throw new IllegalStateException("Recursive update");
                }
            }
            if (binCount != 0) {
                // 是否要转为红黑树
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                // 旧的值
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

4、TODO ConcurrentHashMap 的扩容方法

ConcurrentHashMap 也是默认扩容 2 倍，扩容的方法 transfer()

Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];

5、总结

ConcurrentHashMap 在 JDK 1.7 和 1.8 变化很大，在 JDK 1.7 中，采用 Segment 分段存储数据，也通过 Segment 分段加锁。

而在 JDK 1.8 中，使用 synchronized 锁定 hash 桶的链表的首节点/红黑树的根节点，只要 hash(key) 不冲突，就不会影响其他线程。

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