深入理解Java并发容器——ConcurrentHashMap

目录

• 重要属性和类
• put
  • 为什么java8后放弃分段锁，改用CAS和同步锁
• 初始化
• addCount
• 扩容
• 树化
• 参考

重要属性和类

sizeCtl

容量控制标识符，在不同的地方有不同用途，而且它的取值不同，也代表不同的含义。

• 负数代表正在进行初始化或扩容操作，-1代表正在初始化
• -N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作
• 正数或0代表hash冲突链表还没有被初始化，这个数值表示初始化或下一次进行扩容的大小，这一点类似于扩容阈值的概念。后面可以看到，它的值始终是当前ConcurrentHashMap容量的0.75倍，这与loadfactor是对应的。

basecount

hashmap中的元素个数 利用CAS锁进行更新

TreeNode

当链表长度过长的时候，会转换为TreeNode。与HashMap不相同的是，它并不是直接转换为红黑树，而是把这些结点包装成TreeNode放在TreeBin对象中，由TreeBin完成对红黑树的包装。

static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
        TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
        TreeNode<K,V> left;
        TreeNode<K,V> right;
        TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
        boolean red;

        TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next,
                 TreeNode<K,V> parent) {
            super(hash, key, val, next);
            this.parent = parent;
        }

TreeBin

树化后的ConcurrentHashMap数组，存放的是TreeBin对象，而不是TreeNode对象。

Unsafe与CAS

在ConcurrentHashMap中，随处可以看到Unsafe, 大量使用了U.compareAndSwap的方法，这个方法是利用一个CAS算法实现无锁化的并发修改，可以大大降低锁代理的性能消耗。

put

 /** Implementation for put and putIfAbsent */
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();//初始化
            //bin链表空，利用cas进行无锁线程安全操作
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {

                //cas node写入table[i]
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin 成功后退出循环
            }
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                //细粒度的同步修改
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        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)
                                        e.val = value;
                                    break;
                                }
                                Node<K,V> pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        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;
                            }
                        }
                    }
                }

                if (binCount != 0) {
                    //bin中node超过门限，树化
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        //当前ConcurrentHashMap的元素个数+1，

        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

为什么java8后放弃分段锁，改用CAS和同步锁

JDK 1.7 使用分段锁机制来实现并发更新操作，核心类为 Segment，它继承自重入锁 ReentrantLock，并发度与 Segment 数量相等。

JDK 1.8 使用CAS+synchronized进行更细粒度的锁操作，支持更高的并发度。向链表中插入节点时使用内置锁 synchronized，JDK1.6后synchronized已得到很大的优化。

初始化

同jdk1.8版hashtable的lazy-load模式，即put时才初始化。利用CAS+volatile保证初始化操作的线程安全。

  private final Node<K,V>[] initTable() {
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            //volatile的sizeCtl作为互斥手段，发现竞争性初始化，则spin(自旋)
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
            ///cas设置排他标志，如果返回true，进入初始化
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {//双检，因为没有同步锁
                        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);// n减半
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;//初始化成功，退出
            }//spin
        }
        return tab;
    }

addCount

 /**
     * Adds to count, and if table is too small and not already
     *      * resizing, initiates transfer. If already resizing, helps
     *      * perform transfer if work is available.  Rechecks occupancy
     *      * after a transfer to see if another resize is already needed
     *      * because resizings are lagging additions.
     *
     * @param x the count to add
     * @param check if <0, don't check resize, if <= 1 only check if uncontended
     */
    //这个方法一共做了两件事,更新baseCount的值，检测是否进行扩容
    // 从 putVal 传入的参数是 1， binCount
    private final void addCount(long x, int check) {
        CounterCell[] as; long b, s;
        //利用CAS方法更新baseCount的值
        if ((as = counterCells) != null ||
            !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
            CounterCell a; long v; int m;
            boolean uncontended = true;
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
                !(uncontended =
                  U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
                fullAddCount(x, uncontended);
                return;
            }
            if (check <= 1)
                return;
            s = sumCount();
        }
        // 是否需要扩容，在 putVal 方法调用传参时，默认（hash冲突）要检查
        if (check >= 0) {
            Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
            //map的size大于sizeCtl（门限）， 且
            //table非空，且
            //table长度小于最大容量
            //则扩容
            while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                   (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
                int rs = resizeStamp(n);//扩容时间戳，用于防止长时间循环扩容
                if (sc < 0) {//sizeCtl<0，表示正在扩容
                    // 如果 sc 的低 16 位不等于 标识符（校验异常 sizeCtl 变化了）
                    // 如果 sc == 标识符 + 1 （扩容结束了，不再有线程进行扩容）（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 sc == 标识符 + 65535（帮助线程数已经达到最大）
                    // 如果 nextTable == null（结束扩容了）
                    // 如果 transferIndex <= 0 (转移状态变化了)
                    // 结束循环
                    if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                        sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                        transferIndex <= 0)
                        break;
                    // 如果可以帮助扩容，那么将 sc 加 1. 表示多了一个线程在帮助扩容
                    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                        transfer(tab, nt);//扩容
                }
                //如果不在扩容，将 sc 更新：标识符左移 16 位 然后 + 2.
                //也就是变成一个负数。高 16 位是标识符，低 16 位初始是 2.
                else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                             (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2)) // 更新 sizeCtl 为负数后，开始扩容。
                    transfer(tab, null);
                s = sumCount();
            }
        }
    }

扩容

//todo

树化

//todo

参考

https://www.cnblogs.com/williamjie/p/9099861.html

《Java核心技术36讲》 杨晓峰