看完这篇ConcurrentHashMap源码解析,我又觉得能手撕面试官了

JavaEdge

发布于 2020-05-27 11:52:47

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发布于 2020-05-27 11:52:47

文章被收录于专栏：JavaEdge

人只应当忘却自己而爱别人，这样人才能安静、幸福高尚。 ——托尔斯泰《安娜•卡列尼娜》

0 前言

线程安全的 Map - ConcurrentHashMap，让我们一起研究和 HashMap 相比有何差异，为何能保证线程安全呢.

1 继承体系

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-gkf7KyhC-1587048420294)(https://user-gold-cdn.xitu.io/2020/4/13/1716f691bd3ef39d “图片标题”)]

与 HashMap 很相似,数组、链表结构几乎相同,都实现了 Map 接口，继承了 AbstractMap 抽象类，大多数的方法也都是相同的,ConcurrentHashMap 几乎包含 HashMap所有方法.

2 属性

bin数组.第一次插入时才延迟初始化.大小始终是2的幂.由迭代器直接访问.

下一个要用的 table;仅在扩容时非null

基本计数器值，主要在没有争用时使用，也用作table初始化竞争期间的反馈.通过CAS更新

table 初始化和扩容的控制如果为负，则表将被初始化或扩容： -1用于初始化 -N 活动的扩容线程数否则，当table为null时，保留创建时要使用的初始表大小，或者默认为0. 初始化后，保留下一个要扩容表的元素计数值.

扩容时要拆分的下一个表索引（加1）

扩容和/或创建 CounterCell 时使用的自旋锁（通过CAS锁定）

Table of counter cells。如果为非null，则大小为2的幂.

Node节点:保存key，value及key的hash值的数据结构,其中value和next都用volatile修饰，保证可见性

一个特殊的Node节点，转移节点的 hash 值都是 MOVED,-1.其中存储nextTable的引用.在transfer期间插入bin head的节点.只有table发生扩容的时候，ForwardingNode才会发挥作用，作为一个占位符放在table中表示当前节点为null或则已经被移动,

3 构造方法

3.1 无参

使用默认的初始表大小（16）创建一个新的空map

3.2 有参

创建一个新的空map，其初始表大小可容纳指定数量的元素，而无需动态调整大小。

-创建一个与给定map具有相同映射的新map

注意 sizeCtl 会暂先维护一个2的幂次方的值的容量.

实例化ConcurrentHashMap时带参数时，会根据参数调整table的大小，假设参数为100，最终会调整成256，确保table的大小总是2的幂次方

tableSizeFor

对于给定的所需容量，返回2的幂的表大小

table 的延迟初始化

ConcurrentHashMap在构造函数中只会初始化sizeCtl值，并不会直接初始化table，而是延缓到第一次put操作table初始化.但put是可以并发执行的,是如何保证 table 只初始化一次呢？

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    // 进入自旋
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // 若某线程发现sizeCtl<0，意味着其他线程正在初始化，当前线程让出CPU时间片
        if ((sc = sizeCtl) < 0) 
            Thread.yield(); // 失去初始化的竞争机会; 直接自旋
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                // 有可能执行至此时，table 已经非空，所以做双重检验
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    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;
}

执行第一次put操作的线程会执行Unsafe.compareAndSwapInt方法修改sizeCtl为-1，有且只有一个线程能够修改成功，而其它线程只能通过Thread.yield()让出CPU时间片等待table初始化完成。

4 put

table已经初始化完成，put操作采用CAS+synchronized实现并发插入或更新操作.

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;
    // 自旋保证可以新增成功
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // step1. table 为 null或空时进行初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        // step 2. 若当前数组索引无值，直接创建
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // CAS 在索引 i 处创建新的节点，当索引 i 为 null 时，即能创建成功，结束循环,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
        }
        // step3. 若当前桶为转移节点，表明该桶的点正在扩容，一直等待扩容完成
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        // step4. 当前索引位置有值
        else {
            V oldVal = null;
            // 锁定当前槽点,保证只会有一个线程能对槽点进行修改
            synchronized (f) {
                // 这里再次判断 i 位置数据有无被修改
                // binCount 被赋值，说明走到了修改表的过程
                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;
                            // 将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，说明已新增成功
            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;
                // 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;
            }
        }
    }
    // step5. check 容器是否需要扩容，如果需要去扩容，调用 transfer 方法扩容
    // 如果已经在扩容中了，check有无完成
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

4.2 执行流程

若数组空，则初始化，完成之后，转2
计算当前桶位是否有值
- 无,则 CAS 创建,失败后继续自旋,直到成功
- 有,转3
判断桶位是否为转移节点(扩容ing)
- 是,则一直自旋等待扩容完成,之后再新增
- 否,转4
桶位有值,对当前桶位加synchronize锁
- 链表，新增节点到链尾
- 红黑树，红黑树版方法新增
新增完成之后,检验是否需要扩容

通过自旋 + CAS + synchronize 锁三板斧的实现很巧妙，给我们设计并发代码提供了最佳实践!

5 transfer - 扩容

在 put 方法最后检查是否需要扩容,从 put 方法的 addCount 方法进入transfer 方法.

主要就是新建新的空数组，然后移动拷贝每个元素到新数组.

private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
    // 旧数组的长度
    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;
    }
    // 新数组长度
    int nextn = nextTab.length;
    // 若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
    // 自旋，i 值会从原数组的最大值递减到 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) {
                // 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;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

执行流程

首先把原数组的值全部拷贝到扩容之后的新数组，先从数组的队尾开始拷贝
拷贝数组的槽点时，先把原数组槽点锁住，成功拷贝到新数组时，把原数组槽点赋值为转移节点
这时如果有新数据正好需要 put 到该槽点时，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
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。

6 总结

ConcurrentHashMap 作为一个并发 map,是面试必问点,也是工作中必须掌握的并发容器.

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原始发表：2020/04/16 ，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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