Java ConcurrentHashMap
jdk1.8
之前用到过这个，但是一直不清楚原理，今天抽空看了一下代码
但是由于我一直在使用java8，试了半天，暂时还没复现过put死循环的bug
查了一下，java8似乎修复了这个:不过还是可能导致数据丢失
https://cloud.tencent.com/developer/article/1120823
java8之前都是头插入，而java8却是靠新一位的掩码来把链表分成两个，没有改变相对顺序
果然还是代码理解的不透彻啊
Java 8的ConcurrentMap是真的不好理解
我们现在开始分析ConcurrentHashMap
跟HashMap类似
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable
先看一下java 8 中的ConcurrentHashMap的 一些定义常量
//定义了最大容量
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//定义了每个大小
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
//最多支持多少个并发操作 这个是1.7之前的，1.8基本没用到过这个
private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
//同hashmap
private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;
//树阈值
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//红黑树退化链表的阈值
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
//数量到达这些的时候开始变成红黑树
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
先来看一下构造方法
public ConcurrentHashMap() {
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
//只是设置 sizeCtl 如果初始容量过大，那么设置为最大容量，否则设置大小为
//
int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
this.sizeCtl = cap;
}
//对齐到2的整数次幂 跟hashmap一样
private static final int tableSizeFor(int c) {
int n = c - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
//初始容量，扩容因子，最多并发等级
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
//可见如果如果出事容量小于最多并发等级的话，会设置为为最多并发等级那么多的初始容量
//不过这个构造方法应该是兼容以前的构造方法，concurrencyLevel在1.8没太大意义
if (initialCapacity < concurrencyLevel) // Use at least as many bins
initialCapacity = concurrencyLevel; // as estimated threads
//初始容量/负载因子，应该是用这个来预判最大容量
long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
this.sizeCtl = cap;
}
初始化大小是initialCapacity*1.5 + 1然后对齐到2的整数次幂跟HashMap一样
//看一下init
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
//这个时候检查创建状态
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//没创建才能进来
//sizeCtl<0说明有其他的线程抢先拿到了自旋锁 那么放弃执行
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
//CAS尝试获取 如果 sizeCtl == sc 成功那么交换成-1
//SIZECTL = U.objectFieldOffset (k.getDeclaredField("sizeCtl"));
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
//获取到了
try {
//这里相当于多线程单例模式两个if来判断
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];
//创建完成
table = tab = nt;
//减去1/4相当于*0.75
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
下面的函数经常用到相当于这样
int baseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(array.getClass());
int indexScale = unsafe.arrayIndexScale(array.getClass());
baseOffset + i*indexScale
主要目的就是获取最新的volatile的数据
//这个函数相当于tab获取i节点最新的对象数据
//
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
// Class<?> ak = Node[].class;
// ABASE = U.arrayBaseOffset(ak); 获取数组第一个元素的偏移地址
// int scale = U.arrayIndexScale(ak); 获取数组中元素的增量地址
// Integer.numberOfLeadingZeros 是获取前导0的数量
// ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
//cas 交换c,v
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
这里定义了Node的状态，通过node.hash来判断
/*
* Encodings for Node hash fields. See above for explanation.
*/
static final int MOVED = -1; // hash for forwarding nodes
static final int TREEBIN = -2; // hash for roots of trees
static final int RESERVED = -3; // hash for transient reservations
static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal node hash
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
//ConcurrentHashMap 的key和value不能存放空
//而HashMap中key，Value 都是null
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
//跟HashMap一样，计算hashcode，然后高16位跟低16位按位异或
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
//如果table从来都没有创建过，那么就创建
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
//这里面通过CAS创建的
tab = initTable();
//先获取i 然后获取Node
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//i 这个地方不存在节点 那么尝试创建一个节点并cas
//如果成功了就跳出循环了
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
//i这个位置不是null 判断是不是应该移动 但是估计这里hash改变过了
// 在 transfer方法中
// 这里面如果是正在扩容，那么这个线程过去帮忙扩容
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
//扩容操作
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
//开始正式插入k,v
V oldVal = null;
//这里仅仅锁住桶
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
//判断hash>=0 这里面hash >= 0 认为是链表，否则认为是红黑树
if (fh >= 0) {
//这里面判断一共多少个节点
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//一样，先判断hash然后用equals
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
//全相等，赋值跳出链表
oldVal = e.val;
//判断是不是可以覆盖
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
//
Node<K,V> pred = e;
//如果到链表结尾
if ((e = e.next) == null) {
//尾部插入数据
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {
//这里是对应红黑树的操作
Node<K,V> p;
binCount = 2;
//在红黑树中放一个值
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
//这里判断节点数量
if (binCount != 0) {
//如果大于树的阈值，那就转化为红黑树
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
//判断大小，尝试扩容
addCount(1L, binCount);
return null;
}
/**
* Replaces all linked nodes in bin at given index unless table is
* too small, in which case resizes instead.
*/
private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
Node<K,V> b; int n, sc;
if (tab != null) {
//当tab小于MIN_TREEIFY_CAPACITY阈值的时候尝试resize
//如果tab.length比较小，不会转化为红黑树，直接扩容
if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
tryPresize(n << 1);
//检查这个位置
else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
//锁上这个桶
synchronized (b) {
//再次确认
if (tabAt(tab, index) == b) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
//遍历这个桶的链表
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);
//如果当前节点
if ((p.prev = tl) == null)
hd = p;//第一个元素赋值给hd
else
//把树节点赋值给上一个的下一个，就是连上了
tl.next = p;
tl = p;
}
//用连在一起的treenode创建一个红黑树
setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
}
}
}
}
}
/**
* Tries to presize table to accommodate the given number of elements.
*
* @param size number of elements (doesn\'t need to be perfectly accurate)
*/
private final void tryPresize(int size) {
//对齐
int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);
int sc;
while ((sc = sizeCtl) >= 0) {
Node<K,V>[] tab = table; int n;
//判断tab
if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
//当前容量和需要扩大到的容量取max
n = (sc > c) ? sc : c;
//CAS获取锁 然后初始化
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
if (table == tab) {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = nt;
//相当于*0.75
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
}
}
//如果超过了最大容量就不要扩容了
else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
break;
//如果tab!=table说明已经迁移完了不用再迁移了
else if (tab == table) {
// RESIZE_STAMP_BITS = 16;
// Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1)
//这个函数大概意思就是把第16位置1，为了变成一个负数
int rs = resizeStamp(n);
if (sc < 0) {
//sc < 0 相当于获取到锁
Node<K,V>[] nt;
//这里还是不太理解=================================================
//我还没想出来为什么sc<0还会进来 所以下面是猜测
//RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;
//所以RESIZE_STAMP_SHIFT也是16
//这里是我还没有仔细判断 挖个坑
//因为别的地方也有可能获取到锁导致sc<0
//所以这里判断sc是不是真正自己的
//这里sc右移 如果sc!=rs 应该是别的线程已经扩容完毕
//如果上一个没执行完，那么
// sc == (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2
// transfer中 sc的改变只能是每次 -1
// nextTable == null 说明nextTable还没创建所以不执行
// MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1;
// 这个判断是防止帮助的线程太多，导致sc变成正数 (个人猜测)
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
//多一个线程进入 + 1
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
//开始扩容
transfer(tab, nt);
}
//事实上先执行这个相当于先去获取锁
//如果能获取到那么把sizeCtl设置为一个负数值 + 2 就是刚才计算的那个值
//然后执行一个扩容操作
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);
}
}
}
上面的代码会多次调用 transfer方法
第一次是 transfer(tab,null)
从第二次开始 调用 transfer(tab,nt);
/**
* Moves and/or copies the nodes in each bin to new table. See
* above for explanation.
*/
//开始并且将transfer tab的数据逐渐迁移到nextTab中
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
//n为tab的旧长度
int n = tab.length, stride;
//这里在判断是不是多核心cpu
//参考了一下别人的注释:
/*
stride 在单核下直接等于 n，多核模式下为 (n>>>3)/NCPU，最小值是 16
stride 可以理解为”步长“，有 n 个位置是需要进行迁移的，
将这 n 个任务分为多个任务包，每个任务包有 stride 个任务
*/
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
//nextTab为null那么先创建一个二倍大的tab
if (nextTab == null) { // initiating
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
//注意这里，nextTable是ConcurrentHashMap中的属性
nextTable = nextTab;
// transferIndex 也是 ConcurrentHashMap 的属性，用于控制迁移的位置
transferIndex = n;
}
//nextTab的长度
int nextn = nextTab.length;
//这里参考别人的注释
// ForwardingNode 翻译过来就是正在被迁移的 Node
// 这个构造方法会生成一个Node，key、value 和 next 都为 null，关键是 hash 为 MOVED
// 后面我们会看到，原数组中位置 i 处的节点完成迁移工作后，
// 就会将位置 i 处设置为这个 ForwardingNode，用来告诉其他线程该位置已经处理过了
// 所以它其实相当于是一个标志。
// 所以在putVal中才可以检查
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
//这个循环没看懂 参考了别人的
/*
// 下面这个 while 真的是不好理解
// advance 为 true 表示可以进行下一个位置的迁移了
// 简单理解结局：i 指向了 transferIndex，bound 指向了 transferIndex-stride
*/
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
// 0
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;//设为false下次跳出
/*
// 将 transferIndex 值赋给 nextIndex
// 这里 transferIndex 一旦小于等于 0，说明原数组的所有位置都有相应的线程去处理了
*/
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
//在这里领到一个任务
//这次的任务边界
//i是结束位置 bound是开始位置
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
//如果不在oldtab的长度范围内，该线程准备退出
//说明领到的任务失效了
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
if (finishing) {
nextTable = null;
//在这里覆盖原来的
table = nextTab;
//长度的0.75
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
return;
}
/*
// 之前我们说过，sizeCtl 在迁移前会设置为 (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2
// 然后，每有一个线程参与迁移就会将 sizeCtl 加 1，
// 这里使用 CAS 操作对 sizeCtl 进行减 1，代表做完了属于自己的任务
// 进来的时候假如说 sc=sizeCtl = -21xxxxx174 rs<<16==-21xxx174 - 2
// 然后CAS sizeCtl=-21xxxxx175 sc-2=-21xxxxx176
*/
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
//这个线程迁移完之后判断是不是完全执行完
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
return;
//在这里说明最后进入的线程都已经结束了
finishing = advance = true;
i = n; // recheck before commit
}
}
//oldtab的i位置如果为null 那么把他设为 刚才创建的ForwardingNode
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
//这个位置不是null 但是这个位置是一个ForwardingNode
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // already processed
else {
//对这个桶加锁 然后开始把数据搬到新的tab
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
//hash > 0 说明是链表
if (fh >= 0) {
//这里跟HashMap类似，就是分成两个链表
int runBit = fh & n;
Node<K,V> lastRun = f;
for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
int b = p.hash & n;
if (b != runBit) {
runBit = b;
lastRun = p;
}
}
if (runBit == 0) {
ln = lastRun;
hn = null;
}
else {
hn = lastRun;
ln = null;
}
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);
else
hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
}
//把新链表放在对应的位置上
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
//设置原位置为fwd
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
else if (f instanceof TreeBin) {
//红黑树
TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
int h = e.hash;
TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
(h, e.key, e.val, null, null);
if ((h & n) == 0) {
if ((p.prev = loTail) == null)
lo = p;
else
loTail.next = p;
loTail = p;
++lc;
}
else {
if ((p.prev = hiTail) == null)
hi = p;
else
hiTail.next = p;
hiTail = p;
++hc;
}
}
ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
(hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
(lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
// 将 ln 放置在新数组的位置 i
setTabAt(nextTab, i, ln);
// 将 hn 放置在新数组的位置 i+n
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
// 将原数组该位置处设置为 fwd，代表该位置已经处理完毕，
// 其他线程一旦看到该位置的 hash 值为 MOVED，就不会进行迁移了
setTabAt(tab, i, fwd);
// advance 设置为 true，代表该位置已经迁移完毕
advance = true;
}
}
}
}
}
}
相比之下，get就好多了 一个CAS锁都没有
/**
* Returns the value to which the specified key is mapped,
* or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
*
* <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
* {@code k} to a value {@code v} such that {@code key.equals(k)},
* then this method returns {@code v}; otherwise it returns
* {@code null}. (There can be at most one such mapping.)
*
* @throws NullPointerException if the specified key is null
*/
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
//先去获取一下hashcode 跟hashmap一样，高16xor低16
int h = spread(key.hashCode());
//判断表是否创建，以及对应的位置有没有节点
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
//hashcode相等，判断是不是
if ((eh = e.hash) == h) {
//判断key的hashcode，判断key.equals
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
//eh < 0说明是个红黑树节点或者这个地方正在扩容
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
//都不是这个地方应该是个链表，尝试遍历
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
注意这里，因为红黑树的节点是继承了Node，所以TreeNode是把这个方法覆盖了
//class TreeNode
Node<K,V> find(int h, Object k) {
return findTreeNode(h, k, null);
}
总体感觉：
ConcurrentMap跟1.7不一样，1.7是使用segment分段锁，这种感觉就是每一个segment里面放一个(1.7)hashmap先通过key找到对应的segment然后再去hashmap里面找，put的时候对应的segment加锁
1.8完全就是每一个小桶里面可以存null treenode node，完全没有使用segment锁，put对应的表的时候，会synchronized对应的桶，然后尝试放进去，扩容的时候，也是使用乐观锁，如果可以扩容，那么把sizectl设置为负数，每次cas获取一个小任务，如果这个时候别的线程在put会检查，如果可以，别的线程也会进来帮你分担任务，不过涉及到大量的unsafe类的操作，流程比较容易理解，但是实现还是不好理解
关于为什么使用tabAt这几个函数:
https://www.cnblogs.com/lc-java/p/9301416.html
java中可以创建volatile数组，不过只是一个指向数组的引用，而不是整个数组，如果改变引用指向的数组，将会受到volatile的保护，但是如果多个线程同时改变数组的元素，volatile 标示符就不能起到之前的保护作用了。
这里面有图，很容易理解这几个Map的区别
<http://www.importnew.com/28263.html>
Unsafe类
https://www.jianshu.com/p/cda24891f9e4
注意事项