## 结构 ![image.png](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/7ec7616b331d4af296b6b844754b1623~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) JDK1.8 的实现摒弃了`Segment`的概念，直接用Node数组 + 链表 + 红黑树的数据结构来实现，并发控制使用`Synchronized`和`CAS`来操作， ## sizeCtl 用来控制table的初始化和扩容的操作，不同的值有不同的含义。 - table未初始化时：sizeCtl = 0或者 sizeCtl= capacity; - table正在初始化：sizeCtl = -1; - table初始化完成：sizeCtl = thresold; - 当sizeCtl = − (1 + N)，表明正在有N条线程正在进行resize操作； ## put()方法 ````java public V put(K key, V value) { return putVal(key, value, false); } final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); //hash操作 int hash = spread(key.hashCode()); int binCount = 0; //bitCount表示i处的节点数量，用来判断是否转换成红黑树 for (Node[] tab = table;;) {//CAS插入 Node f; int n, i, fh; //除非构造时指定初始化集合，否则默认构造不初始化table if (tab == null || (n = tab.length) == 0) tab = initTable(); else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { //当前节点为NULL，CAS设置新头节点 if (casTabAt(tab, i, null, new Node(hash, key, value, null))) break; // no lock when adding to empty bin } else if ((fh = f.hash) == MOVED) tab = helpTransfer(tab, f); //当前节点正在扩容，让当前线程帮助扩容，扩容完指向新的table else { //正常插入到链表或者红黑树当中 V oldVal = null; //对当前节点加锁 synchronized (f) { if (tabAt(tab, i) == f) { if (fh >= 0) {//表明是链表结点类型 binCount = 1; for (Node e = f;; ++binCount) { K ek; if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) { oldVal = e.val; if (!onlyIfAbsent) //onlyIfAbsent表示是新元素才加入，旧值不替换，默认为fase。 e.val = value; break; } Node pred = e; if ((e = e.next) == null) { //加入链表尾部 pred.next = new Node(hash, key, value, null); break; } } } else if (f instanceof TreeBin) {//是红黑树 Node p; binCount = 2; if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val; if (!onlyIfAbsent) p.val = value; } } } } if (binCount != 0) { if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) //默认table的一个链表结点数超过8个数据结构会转为红黑树 treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; } } } addCount(1L, binCount);//更新size，检测扩容 return null; } ```` ### 哈希算法 ````java // &HASH_BITS是为了保证hash为正数 static final int spread(int h) { return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS; } ```` ### 初始化 ````java private final Node[] initTable() { Node[] tab; int sc; while ((tab = table) == null || tab.length == 0) { if ((sc = sizeCtl) < 0) // 多线程同时初始化（即sizeCtl = -1 )时，竞争失败的线程yield Thread.yield(); // CAS设置 sizeCtl = -1 else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { try { if ((tab = table) == null || tab.length == 0) { int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY; @SuppressWarnings("unchecked") Node[] nt = (Node[])new Node[n]; table = tab = nt; sc = n - (n >>> 2);//扩容阈值为新容量的0.75倍 } } finally { sizeCtl = sc; } break; } } return tab; } ```` ### treeifyBin函数 treeifyBin函数对于节点数量过多的处理，与HashMap大体一致。 - table比较小时（小于MIN_TREEIFY_CAPACITY=64），先resize； - table达到一定数量时，转换红黑树；（链表长度 > 8） ````java private final void treeifyBin(Node[] tab, int index) { Node b; int n, sc; if (tab != null) { // 如果tab.length < MIN_TREEIFY_CAPACITY=64，先resize if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) tryPresize(n << 1); else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) //转换成红黑树 synchronized (b) { if (tabAt(tab, index) == b) { TreeNode hd = null, tl = null; for (Node e = b; e != null; e = e.next) { TreeNode p = new TreeNode(e.hash, e.key, e.val, null, null); if ((p.prev = tl) == null) hd = p; else tl.next = p; tl = p; } setTabAt(tab, index, new TreeBin(hd)); } } } } } ```` ### 扩容如果新增节点之后，所在的链表的元素个数大于等于8，则会调用treeifyBin把链表转换为红黑树。在转换结构时，若tab的长度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY，默认值为64，则会将数组长度扩大到原来的两倍，并触发transfer，重新调整节点位置。（只有当tab.length >= 64, ConcurrentHashMap才会使用红黑树。） ````java // tab是旧table，nextTab是新table private final void transfer(Node[] tab, Node[] nextTab) { int n = tab.length, stride; if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE) stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range //stride表示每个线程处理桶的最小数目。 if (nextTab == null) { // initiating try { @SuppressWarnings("unchecked") Node[] nt = (Node[])new Node[n << 1];//table两倍扩容 nextTab = nt; } catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME sizeCtl = Integer.MAX_VALUE; return; } nextTable = nextTab; transferIndex = n;//扩容总进度，>=transferIndex的桶都已分配出去。 } int nextn = nextTab.length; ForwardingNode fwd = new ForwardingNode(nextTab); //advance表示是否迁移完成 boolean advance = true; //finish表示扩容是否结束 boolean finishing = false; for (int i = 0, bound = 0;;) { //处理一个 stride 长度的任务，i 会被赋值为该 stride 内最大的下标，而 bound 会被赋值为该 stride 内最小的下标 //通过循环不断减小 i 的值，从右往左依次迁移桶上面的数据，直到 i 小于 bound 时结束该次长度为 stride 的迁移任务 //结束这次的任务后会通过外层 addCount、helpTransfer、tryPresize 方法的 while 循环达到继续领取其他任务的效果 Node f; int fh; while (advance) { int nextIndex, nextBound; if (--i >= bound || finishing) advance = false; else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) { //transferIndex <= 0 说明数组的hash桶已被线程分配完毕，没有了待分配的hash桶，将 i 设置为 -1 ，后面的代码根据这个数值退出当前线的扩容操作 i = -1; advance = false;//false表示没处理完当前桶 } //只有首次进入for循环才会进入这个判断里面去，设置 bound 和 i 的值，也就是领取到的迁移任务的数组区间 else if (U.compareAndSwapInt (this, TRANSFERINDEX, nextIndex, nextBound = (nextIndex > stride ? nextIndex - stride : 0))) { //确定当前线程每次分配的待迁移桶的范围为[bound, nextIndex) bound = nextBound; i = nextIndex - 1; advance = false; } } // i<0表示当前线程的任务已经做完，后两个判断是边界检查 if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) { int sc; if (finishing) { //扩容结束后做后续工作，将 nextTable 设置为 null，表示扩容已结束，将 table 指向新数组，sizeCtl 设置为扩容阈值 nextTable = null; table = nextTab; sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1); return; } //每当一条线程扩容结束就会更新一次 sizeCtl 的值，进行减 1 操作 if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) { //如果下面为false，说明该线程不是扩容大军里面的最后一条线程，直接return if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT) return; //如果为true，修改标志位，并且重新检查有没有遗漏的 finishing = advance = true; i = n; // recheck before commit //重新检查一遍 //正常情况下，tab应该全都是ForwardingNode //如果出现问题，多个线程同时申请到了一个transfer，此时当前线程领取的任务作废 //重新检查时候要处理作废而没被迁移的桶 } } else if ((f = tabAt(tab, i)) == null) //桶为null，直接放一个ForwardingNode advance = casTabAt(tab, i, null, fwd); else if ((fh = f.hash) == MOVED) //数组上遇到hash值为MOVED，也就是 -1 的位置，说明该位置已经被其他线程迁移过了， //将 advance 设置为 true ，以便继续往下一个桶检查并进行迁移操作 advance = true; // already processed else { //数据迁移 synchronized (f) { //桶内元素迁移加锁 if (tabAt(tab, i) == f) { Node ln, hn; if (fh >= 0) { //fh >= 0说明是链表 int runBit = fh & n;//n是2的幂次，所以runBit只能为1或者0 Node lastRun = f;//lastRun指向最后一个相邻runBit不同的节点 for (Node p = f.next; p != null; p = p.next) { //遍历整条链表，找出 lastRun 节点 int b = p.hash & n; if (b != runBit) { runBit = b; lastRun = p; } } if (runBit == 0) { ln = lastRun; hn = null; } else { hn = lastRun; ln = null; } //头插，以lastRun分界拆成hn和ln for (Node 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(ph, pk, pv, ln); //四个参数分别是hash值，key，value，next节点，所以是头插法 else hn = new Node(ph, pk, pv, hn); } setTabAt(nextTab, i, ln); //ln 链设置到新数组下标为 i 的位置上 setTabAt(nextTab, i + n, hn); //hn 链设置到新数组下标为 i + n(n为原数组长度) 的位置上 setTabAt(tab, i, fwd); //在原table中设置ForwardingNode节点以提示该桶扩容完成。 advance = true; //advance 设置为 true 表示当前 hash 桶已处理完，可以继续处理下一个 hash 桶 } else if (f instanceof TreeBin) { //红黑树处理与链表类似 //同样也是使用高位和低位两条链表进行迁移 //在迁移过程中，判断是否需要转换成红黑树 //1、如果符合条件则直接将 TreeNode 链表转为红黑树，再设置到新数组中去 //2、如果不符合条件则将 TreeNode 转换为普通的 Node 节点，再将该普通链表设置到新数组中去 ...... } } } } } } ```` ForwardingNode的作用： - 占位作用，用于标识数组该位置的桶已经迁移完毕，处于扩容中的状态。 - 作为一个转发的作用，扩容期间如果遇到查询操作，遇到转发节点，会把该查询操作转发到新的数组上去，不会阻塞查询操作多线程下扩容分配如图所示： ![image.png](https://p9-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/00ef492297b04522b27d6d43dc9d071f~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image) ## size统计 ConcurrentHashMap的元素个数等于baseCounter和数组里每个CounterCell的值之和，这样做的原因是，当多个线程同时执行CAS修改baseCount值，失败的线程会将值放到CounterCell中。在计算 size 的时候，会将 baseCount 和 CounterCell 数组中的元素的 value 累加，得到总的大小，但这个数字仍旧可能是不准确的。 ````java private transient volatile long baseCount; private final void addCount(long x, int check) { CounterCell[] as; long b, s; // 如果cas修改 baseCount 失败 if ((as = counterCells) != null || !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) { CounterCell a; long v; int m; boolean uncontended = true; // 如果计数盒子是空（尚未出现并发） // 如果随机取余一个数组位置为空或者 // 修改这个槽位的变量失败（出现并发了） // 执行 fullAddCount 方法。并结束 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(); } // 如果需要检查,检查是否需要扩容，在 putVal 方法调用时，默认就是要检查的。 if (check >= 0) { Node[] tab, nt; int n, sc; // 如果map.size() 大于 sizeCtl（达到扩容阈值需要扩容）且 // table 不是空；且 table 的长度小于 1 << 30。（可以扩容） while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null && (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) { // 根据 length 得到一个标识 int rs = resizeStamp(n); // 如果正在扩容 if (sc < 0) { // 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)) // 扩容 transfer(tab, nt); } // 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(); } } } ```` CounterCell：使用了`@sun.misc.Contended`标记的类，内部包含一个`volatile`变量。`@sun.misc.Contended`这个注解标识着这个类防止需要防止 “伪共享”。 > 缓存系统中是以缓存行（cache line）为单位存储的。缓存行是2的整数幂个连续字节，一般为32-256个字节。最常见的缓存行大小是64个字节。当多线程修改互相独立的变量时，如果这些变量共享同一个缓存行，就会无意中影响彼此的性能，这就是伪共享。