ConcurrentHashMap 源码分析（jdk1.8）

2023-11-12 23:15:04

jdk1.7分析

ConcurrentHashMap采用分段锁的机制，实现并发的更新操作，底层采用数组+链表的存储结构。
其包含两个核心静态内部类 Segment和HashEntry。

Segment继承ReentrantLock用来充当锁的角色，每个 Segment 对象守护每个散列映射表的若干个桶。
HashEntry 用来封装映射表的键 / 值对；
每个桶是由若干个 HashEntry 对象链接起来的链表。
一个 ConcurrentHashMap 实例中包含由若干个 Segment 对象组成的数组，下面我们通过一个图来演示一下 ConcurrentHashMap 的结构：

jdk1.8分析

1.8的实现已经抛弃了Segment分段锁机制，利用CAS+Synchronized来保证并发更新的安全，底层采用数组+链表+红黑树的存储结构。

Node

Node：保存key，value及key的hash值的数据结构。

class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
    ... 省略部分代码
}

ForwardingNode：一个特殊的Node节点，hash值为-1，其中存储nextTable（扩容后的表）的引用。

final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
    final Node<K,V>[] nextTable;
    ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
        super(MOVED, null, null, null);
        this.nextTable = tab;
    }
}

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或者已经被移动。

1.初始化 new ConcurrentHashMap();

同hashmap一样，无参构造并没有真正初始化，真正初始化是在第一次put数据时

2.有参构造 new ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel);

1.一共有三个参数，initialCapacity是实际容量，loadFactor是负载因子（默认为0.75，是经验值）， concurrencyLevel是并发级别（默认为1）

2.计算出我们需要的table的长度，由于实际容量=table的长度*loadFactor，则table的长度=实际容量/loadFactor

3.tableSizeFor()算出我们实际需要的table的长度cap。确保总是2的幂，比如initialCapcity是100则计算出的cap为256。这里cap有最大值为2^30

3.第一次put数据，初始化table

首先介绍一个重要的变量：

sizeCtl ：默认为0，用来控制table的初始化和扩容操作

-1 代表table正在初始化
-N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作

如果sizeCtl>0：

如果table未初始化，表示table需要初始化的大小
如果table初始化完成，表示table的容量，默认是table大小的0.75倍

1.首先判断sizeCtl是否<0，如果是则说明已经有线程在初始化table（Node[]）了,就把当前线程挂起

2.通过CAS操作将sizeCtl设置为-1，注意只有一个线程可以设置成功继续往下运行

3.判断我们传进来的sizeCtl（sc记录了函数刚传进来时的sizeCtl）是否>0，如果大于零则这个sizeCtl的值为 table需要初始化的大小，否则为table为默认的大小16

4.sc = n - (n >>> 2); 实际上是计算 0.75*table的长度= table的可用的容量。很奇怪，真正的容量不应该是 table的长度 * 负载因子吗？ 为什么乘固定值0.75？

5.把table真正容量赋给sizeCtl

4.put操作

首先计算key的hash值，计算在table中的位置，采用CAS操作判断该位置有没有元素，如果该位置没有元素的话。采用一个CAS操作，放入Node节点

问什么要用tabat方法要采用CAS方法getReferenceVolatile获得table指定索引的元素而不是直接table[index]？

在java内存模型中，我们已经知道每个线程都有一个工作内存，里面存储着table的副本，虽然table是volatile修饰的，但不能保证线程每次都拿到table中的最新元素，Unsafe.getReferenceVolatile可以直接获取指定内存的数据，保证了每次拿到数据都是最新的。

如果CAS添加Node成功后会执行addCount(1L, binCount);方法判断是否需要扩容

如果CAS失败，说明有别的线程在添加这个元素，会自旋重复以上流程

如果该位置的Node的hash值为 -1则说明当前Node是ForwardingNode节点，意味有其它线程正在扩容，则一起进行扩容操作。

其余情况把新的Node节点按链表或红黑树的方式插入到合适的位置，这个过程采用同步内置锁实现并发

我们可以看到只是对需要操作的Node节点加锁，而不是对整个ConcurrentHashMap（这也是与HashTable的最大不同，HashTable是对整个表加锁）

我们可以看到，这里红黑树的节点是TreeBin

再然后判断节点数如果>=8 则树化（注意树的bitcount被赋值为2，也就是说只有链表的bitcount才有可能>=8 只有链表能树化!)

5.扩容操作

当table容量不足的时候，即table的元素数量达到容量阈值sizeCtl，需要对table进行扩容。
整个扩容分为两部分：

构建一个nextTable，大小为table的两倍。
把table的数据复制到nextTable中。
这两个过程在单线程下实现很简单，但是ConcurrentHashMap是支持并发插入的，扩容操作自然也会有并发的出现，这种情况下，第二步可以支持节点的并发复制，这样性能自然提升不少，但实现的复杂度也上升了一个台阶。

先看第一步，构建nextTable，毫无疑问，这个过程只能只有单个线程进行nextTable的初始化，具体实现如下：

1.首先设置tride的值，跟CPU数目有关，默认为16