ConcurrentHashMap源码学习基于JDK1.8
2021/6/9 1:21:14
本文主要是介绍ConcurrentHashMap源码学习基于JDK1.8，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！
结构
与 HashMap 类似，使用数组 + 链表 + 红黑树存储键值对
属性字段
transient volatile Node<K,V>[] table; // 存放 bin，第一次插入数据时候进行初始化，长度为 2 的倍数
private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16 // 扩容线程每次最少要迁移16 个 hash 桶，在扩容中，参与的单个线程允许处理的最少 table 桶首节点个数，虽然适当添加线程，会使得整个扩容过程变快，但需要考虑多线程内存同时分配的问题
private transient volatile int sizeCtl;
- 默认为 0
- -1 表示正在初始化
- -(1+number) 表示有 number 个线程同时在扩容，必须竞争到这个共享变量，才能进行初始化或者扩容。
- 正数， table 中元素数量阈值，超过这个阈值就会扩容
static final int MOVED = -1; // hash for forwarding nodes
- ForwardingNode，在扩容时使用，如果 index 处 hash 值为 -1，表示正在扩容。
static final int TREEBIN = -2; // hash for roots of trees
static final int RESERVED = -3; // hash for transient reservations
static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal
哈希桶 Table 初始化
-
根据共享变量 sizeCtl 的值来决定是否由当前线程执行初始化操作（单线程进行初始化）
-
sizeCtl 为正数时，表示 table 的阈值（= 0.75*n），元素个数超过这个值将会扩容。
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
// 如果共享变量 sizeCtl < 0，说明有其它线程正在初始化或者扩容，让出 CPU，让其它线程先执行完
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
//
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
// 再判断 table 是否为空
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
// sc = sizeCtl > 0 表示已经初始化，否则使用默认容量 16。
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
// sc = 0.75*n，sc 表示阈值
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
key 对应到哈希桶的过程
static final int spread(int h) {
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
index = spread(key) & (length - 1)
-
hash 过程与 HashMap 类似，只是多了与 HASH_BITS 进行位运算
-
HASH_BITS 除了首位是 0，剩下的都是 1，按位与，得正数(首位为0)。就是为了让上面的 hash 值为正数
get 方法
-
key，value 都不能为 null，key 为 null 时抛出 NullPointerException
-
将 key 进行 hash 然后找到数组位置处的索引 index
-
若 index == key，直接返回 index 处元素
-
若 index 处的 hash 值小于 0，进一步调用 Node 子类的 find 方法
-
index 处的 hash 值不小于 0，遍历查找
static final int TREEBIN = -2; // hash for roots of trees
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) {
// 如果找到这个节点，直接返回
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
// 如果 hash 值小于 0，调用 Node 的查找方法，Node 可以为链表或树
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;
}
put 方法
-
table 为 null 或者 tab.size = 0，进行 resize。
-
key 进行 hash 之后取模得到的索引位置，若在桶的位置元素为 null，那么直接插入元素。
-
桶位置元素不为 null，那么进行比较
-
判断 key 是否相同：
- 如果 key 相同，e 保存该节点
- 如果 key 不同，如果该是红黑树节点，那么执行红黑树的 put 方法；如果是链表节点，执行链表遍历操作，找到对应的节点并用 e 保存，如果链表长度大于 >=7，就将链表转为红黑树
-
Node e 保存找到的节点，如果没有找到返回 null
-
如果 size 超过阈值，进行扩容
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// key value 均不能为 null
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
// 获取当前 table，进入死循环，直至插入成功
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 为空需要进行初始化
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
// 索引所在位置没有元素，通过 casTabAt 方法插入元素并跳出循环
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))){
break; // no lock when adding to empty bin
}
}
// 索引位置处 hash = -1，表示其它线程正在扩容，helpTransfer 将帮助扩容，且元素赋值到扩容后的位置
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
// 该位置处节点为普通节点，锁住该链表头结点并在尾部添加节点
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
// 加锁之后再判断索引位置处 key 是否相同
if (tabAt(tab, i) == f) {
// hash >= 0，通过链表遍历方式找到并替换节点
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;
if (!onlyIfAbsent)
// 进行替换
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
// 链表尾部插入节点
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
// index 处索引小于 0 （hash = -2 TREEBIN），并且是树节点，执行树的插入方法
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;
}
}
}
}
// binCount != 0 说明向链表或者红黑树中添加或修改一个节点成功
// binCount == 0 说明 put 操作将一个新节点添加成为某个桶的首节点
if (binCount != 0) {
// >= 8 就转为红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
// oldVal != null 说明此次操作是修改操作，直接返回旧值，无需下面扩容检查
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
// 判断是否需要扩容
addCount(1L, binCount);
return null;
}
size()
-
baseCount 记录元素个数，通过 addCount 更新 baseCount，当更新失败时，addCount 中的 fullCount 会更新 counterCells
-
元素个数 = baseCount + counterCells.length
public int size() {
long n = sumCount();
return ((n < 0L) ? 0 :
(n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
(int)n);
}
final long sumCount() {
CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
long sum = baseCount;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
扩容方法
// 返回表长度 n 的标志位
static final int resizeStamp(int n) {
return Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1));
}
// 帮助扩容
final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
Node<K,V>[] nextTab; int sc;
// tab 不为 null，传进来的节点是 ForwardingNode，并且 ForwardingNode 下一个 tab 不为 null
if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
(nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
// 生成标志位 rs
int rs = resizeStamp(tab.length);
while (nextTab == nextTable && table == tab &&
(sc = sizeCtl) < 0) {
// 如果 sizeCtl 无符号右移 16 位与上面标志位不同
// 或者 sizeCtl == rs + 1 （扩容结束了，不再有线程进行扩容）
// 或者 sizeCtl == rs + 65535 （如果达到最大帮助线程的数量，即 65535）
// 或者转移下标正在调整 （扩容结束）
// 结束循环
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
break;
// 以上情况不满足， sizeCtl++ ，增加一个线程进行扩容
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
// 复制或者移动 bins 里面的 Node 到新的 table
transfer(tab, nextTab);
break;
}
}
return nextTab;
}
return table;
}
// 移动或者复制 Node 到新的 table
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
// 计算单个线程允许处理的最少 table 桶首节点个数，不能小于 16
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
// 如果刚开始扩容，就初始化 nextTab
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 指向最后一个桶，方便从后向前遍历
transferIndex = n;
}
int nextn = nextTab.length;
// fwd 作为标记，标记那些已经完成迁移的桶
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
// i 指向当前桶，bound 指向当前线程需要处理的桶结点的区间下限
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
// transferIndex 本来指向最后一个桶，小于等于 0 说明处理完成
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
// 更新 transferIndex，处理的桶区间为 (nextBound,nextIndex)
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
// 当前线程任务处理完成
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
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
}
}
// 待迁移的桶为 null，在此位置添加 ForwardingNode 标记该桶已经处理过
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
// 该桶已经处理过
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // already processed
else {
// 锁住该桶
synchronized (f) {
// 再判断下桶有没有发生变化
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
if (fh >= 0) {
int runBit = fh & n;
Node<K,V> lastRun = f;
// 整个 for 循环为了找到整个桶中最后连续的 fh & n 不变的结点
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 fh&n 不变的链表的 runbit 都是 0，则 nextTab[i] 内元素 ln 前逆序，ln 及其之后顺序
// 否则，nextTab[i+n]内元素全部相对原table逆序
// 这是通过一个节点一个节点的往 nextTab 添加
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);
}
// 把两条链表整体迁移到 nextTab 中
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
// 将原桶标识位已经处理
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
// 红黑树的复制算法
else if (f instanceof TreeBin) {
TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
int h = e.hash;
TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
(h, e.key, e.val, null, null);
if ((h & n) == 0) {
if ((p.prev = loTail) == null)
lo = p;
else
loTail.next = p;
loTail = p;
++lc;
}
else {
if ((p.prev = hiTail) == null)
hi = p;
else
hiTail.next = p;
hiTail = p;
++hc;
}
}
ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
(hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
(lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
}
}
}
}
}
- sizeCtl == rs + 1 扩容结束了，不再有线程进行扩容，这个判断可以在 addCount 方法中找到答案：默认第一个线程设置 sc == rs 左移 16 位 + 2，当第一个线程结束扩容了，就会将 sc 减一。这个时候，sc 就等于 rs + 1。
如果 sizeCtl == 标识符 + 1 ，说明库容结束了，没有必要再扩容了。
博客参考
并发编程——ConcurrentHashMap#helpTransfer() 分析
为并发而生的 ConcurrentHashMap（Java 8）
https://www.iteye.com/blog/wujiu-2378812
这篇关于ConcurrentHashMap源码学习基于JDK1.8的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对大家有所帮助，也希望大家多多支持为之网！
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