java中HashMap和ConcurrentHashMap实现原理

Posted 2022-02-05 Leo Han

在java中，HashMap底层是通过 数组 + 链表实现的，如果当某个链表元素个数超过8个，则链表转化为红黑树。

其底层类似上述结构，一层采用数组结构，每个数组里面都是一个链表，当我们进行put的时候，计算key的hash值，和数组的长度-1取余得到待添加元素在数组中的位置，然后看该位置是否有元素，如果没有元素，那么作为链表的头加入，如果有，加入到已有的链表中，如果链表的元素超过8个，这时候将链表转换为红黑树。

 transient Node<K,V>[] table;

static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.Entry<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) 
            super(hash, key, val, next);
        
        .....

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> 
        final int hash;
        final K key;
        V value;
        Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) 
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        

如上，Node代表的是普通链表，而TreeNode则是HashMap中红黑树的实现。
另外在HashMap中有一个比较重要的属性就是扩充因子，表示的是当Map中的容量到达初始容量的多少进行扩容，默认情况下，扩充因子是0.75，初始大小是16 ，当map大小超过容量的0.75时，会进行扩容，每次对之前容量*2 进行扩容，即： 16 ,32,64
如下是HashMap添加元素的核心方法：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) 
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        	// 初始化数组
            n = (tab = resize()).length;
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        	// 对应位置上没有元素，直接加入
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else 
            Node<K,V> e; K k;
            if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                e = p;
            else if (p instanceof TreeNode)
            	// 如果链表头部是红黑树，按照红黑树逻辑插入
                e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
            else 
            	// 普通链表插入，插入完之后判断链表是否达到转红黑树条件，如果达到了，转红黑树
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) 
                    if ((e = p.next) == null) 
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        	// 是否需要转换为红黑树
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                
            
            if (e != null)  // existing mapping for key
                V oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                afterNodeAccess(e);
                return oldValue;
            
        
        ++modCount;
        // 超过容量限定，进行扩容
        if (++size > threshold)
            resize();
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    

当使用红黑树进行插入的时候，我们知道红黑树是有序的，默认是使用hashCode来进行排序的，如果hashCode相同的话，那么还会判断Key是否是Comparable，如果不是，那么会判断二者是否是同一个类型，如果还不行，则调用System.identityHashCode来进行判断

JDK8中的HashMap采用了红黑树，避免了之前JDK7中使用普通链表当元素碰撞导致链表过长查询慢问题。

HashMap是非线程安全的，当多线程访问的时候，会出现问题，基于此java提供了ConcurrentHashMap可以并发操作的Map。java本身也提供了HashTable，是一个线程安全的Map，但是HashTable在并发的情况下加锁的粒度比较大是整个Map，并发量会下降。

而ConcurrentHashMap则是根据HashMap底层数据结构的特点采用了分段上锁的逻辑，我们知道，当多个线程进行put的时候，每个key最终会落到数组其中一个元素上，如果多个线程每个操作的都是不同的数组元素，那么不存在竞争关系，那么只要每次操作对单个数组元素加锁，如果需要扩充Map，那么全局加锁即可。
ConcurrentHashMap的处理逻辑大致如上，上锁是结合CAS+Synchronized锁机制。

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();
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) 
            	// 数组位置没有元素，通过cas设置头结点
                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)
            	// map在扩容，这里也会帮助扩容，思路和put差不多，只处理单个数组元素
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else 
                V oldVal = null;
                // 已经存在链表，通过synchronized 上锁处理
                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) 
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                
            
        
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    

可以看到，在对应位置没有元素时是通过cas来设置，但是存在元素插入的时候，则是通过synchronized的，这主要是，没有元素的时候设置是一个比较快的过程，这时候如果存在并发，通过cas，并发线程不会自旋等待很久，但是如果有元素进行插入的时候，尤其如果是红黑树还需要进行旋转，这时候如果继续cas空转等待的话，浪费cpu和时间，所以直接通过synchronized来上锁，如果等待时间比较长，锁升级为重量级锁，线程直接阻塞出让CPU。

对于初始化数组，直接通过cas来进行设置：

private final Node<K,V>[] initTable() 
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) 
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
            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);
                    
                 finally 
                    sizeCtl = sc;
                
                break;
            
        
        return tab;