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源码系列-ConcurrentHashMap源码

结构

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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SynchronizedCAS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

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<K,V>[] tab = table;;) {//CAS插入
        Node<K,V> 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<K,V>(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<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)
                                //onlyIfAbsent表示是新元素才加入,旧值不替换,默认为fase。
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                //加入链表尾部
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {//是红黑树
                        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) {
                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;
}
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哈希算法

// &HASH_BITS是为了保证hash为正数
static final int spread(int h) {
    return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
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初始化

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] 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<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])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;
}
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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)
private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
    Node<K,V> 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<K,V> hd = null, tl = null;
                    for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
                        TreeNode<K,V> p =
                            new TreeNode<K,V>(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<K,V>(hd));
                }
            }
        }
    }
}
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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。)

// tab是旧table,nextTab是新table
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] 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<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])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<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(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<K,V> 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<K,V> 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<K,V> lastRun = f;//lastRun指向最后一个相邻runBit不同的节点
                        for (Node<K,V> 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<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);
                                //四个参数分别是hash值,key,value,next节点,所以是头插法
                            else
                                hn = new Node<K,V>(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
                        ......
                    }
                }
            }
        }
    }
}
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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

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。

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<K,V>[] 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();
        }
    }
}

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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。

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