《Java源码分析》:ConcurrentHashMap JDK1.8

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了《Java源码分析》:ConcurrentHashMap JDK1.8相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

《Java源码分析》:ConcurrentHashMap JDK1.8

最近一直在看关于J.U.C中的源码,了解原子操作,了解锁机制,了解多线程并发等等。但是ConcurrentHashMap一直拖着到今天才算告一段落。

也要感谢ConcurrentHashMap这个类,刚开始就是想弄懂里面的工作原理,但是,无奈看了网上关于介绍ConcurrentHashMap这个类的资料或博客都是基于JDK1.8以前的,而刚好此类在JDK1.8之后有很大的变化。因此,由于里面涉及到关于原子操作CAS,自己以前并不知道是什么,于是就开始对原子操作进行了解,看了java.util.concurrent.atom包下相关类源码对其有了一定的了解。接着为了了解锁机制,看了java.util.concurrent.lock包下相关的类库,对锁机制有了大概的了解之后,看了线程池相关的类,对线程池也有了一定的了解。

关于阻塞队列相关的类,自己也大致看了下,但是并没有形成相应的博文,以后有时间重新来了解他们的时候才记录吧。整个过程大概花费了我将近一个来月的时间,虽然对看过的类库的内部实现都只是一个大致的了解,但是确实收获还是挺多的。让我们更好的明白在多线程并发中他们是如何来工作的。

回到正题,刚好借着今天星期天,花了将近一天的时间来看ConcurrentHashMap的实现原理,总算看了一个大概,有了一个大致的了解。也就有了这篇博文。

ConcurrentHashMap 在JDK1.8版本以前的实现原理

既然本篇博文的标题明确的标出了是基于JDK1.8版本的,也就暗示了这个版本和以前的版本关于ConcurrentHashMap有些许的不同,对吧。x

下面我们就先借助网上的资料来看下以前版本的ConcurrentHashMap的实现思路。

我们都知道HashMap是线程不安全的。Hashtable是线程安全的。看过Hashtable源码的我们都知道Hashtable的线程安全是采用在每个方法来添加了synchronized关键字来修饰,即Hashtable是针对整个table的锁定,这样就导致HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下。

效率低下的原因说的更详细点:是因为所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁。当一个线程访问HashTable的同步方法时,其他线程访问HashTable的同步方法时,可能会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行添加元素,线程2不但不能使用put方法添加元素,并且也不能使用get方法来获取元素,所以竞争越激烈效率越低。

基于Hashtable的缺点,人们就开始思考,假如容器里有多把锁,每一把锁用于锁容器其中一部分数据,那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时,线程间就不会存在锁竞争,从而可以有效的提高并发访问效率呢??这就是我们的“锁分离”技术,这也是ConcurrentHashMap实现的基础。

ConcurrentHashMap使用的就是锁分段技术,ConcurrentHashMap由多个Segment组成(Segment下包含很多Node,也就是我们的键值对了),每个Segment都有把锁来实现线程安全,当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候,其他段的数据也能被其他线程访问。

因此,关于ConcurrentHashMap就转化为了对Segment的研究。这是因为,ConcurrentHashMap的get、put操作是直接委托给Segment的get、put方法,但是自己上手上的JDK1.8的具体实现确不想网上这些博文所介绍的。因此,就有了本篇博文的介绍。

推荐几个JDK1.8以前版本的关于ConcurrentHashMap的原理分析,方便大家比较。

1、http://www.iteye.com/topic/344876

2、http://ifeve.com/concurrenthashmap/

如需要更多,请自己网上搜索即可。

下面就开始JDK1.8版本中ConcurrentHashMap的介绍。

JDK1.8 版本中ConcurrentHashMap介绍

1、前言

首先要说明的几点:

1、JDK1.8的ConcurrentHashMap中Segment虽保留,但已经简化属性,仅仅是为了兼容旧版本。

2、ConcurrentHashMap的底层与Java1.8的HashMap有相通之处,底层依然由“数组”+链表+红黑树来实现的,底层结构存放的是TreeBin对象,而不是TreeNode对象;

3、ConcurrentHashMap实现中借用了较多的CAS算法,unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); CAS(Compare And Swap),意思是如果valueOffset位置包含的值与expect值相同,则更新valueOffset位置的值为update,并返回true,否则不更新,返回false。

ConcurrentHashMap既然借助了CAS来实现非阻塞的无锁实现线程安全,那么是不是就没有用锁了呢??答案:还是使用了synchronized关键字进行同步了的,在哪里使用了呢?在操作hash值相同的链表的头结点还是会synchronized上锁,这样才能保证线程安全。

看完ConcurrentHashMap整个类的源码,给自己的感觉就是和HashMap的实现基本一模一样,当有修改操作时借助了synchronized来对table[i]进行锁定保证了线程安全以及使用了CAS来保证原子性操作,其它的基本一致,例如:ConcurrentHashMap的get(int key)方法的实现思路为:根据key的hash值找到其在table所对应的位置i,然后在table[i]位置所存储的链表(或者是树)进行查找是否有键为key的节点,如果有,则返回节点对应的value,否则返回null。思路是不是很熟悉,是不是和HashMap中该方法的思路一样。所以,如果你也在看ConcurrentHashMap的源码,不要害怕,思路还是原来的思路,只是多了些许东西罢了。

2、ConcurrentHashMap类中相关属性的介绍

为了方便介绍此类后面的实现,这里需要先将此类中的一些属性给介绍下。

sizeCtl最重要的属性之一,看源码之前,这个属性表示什么意思,一定要记住。

0、private transient volatile int sizeCtl;//控制标识符

此属性在源码中给出的注释如下:

     /**
        * Table initialization and resizing control.  When negative, the
        * table is being initialized or resized: -1 for initialization,
        * else -(1 + the number of active resizing threads).  Otherwise,
        * when table is null, holds the initial table size to use upon
        * creation, or 0 for default. After initialization, holds the
        * next element count value upon which to resize the table.
        */

翻译如下:

sizeCtl是控制标识符,不同的值表示不同的意义。

  • 负数代表正在进行初始化或扩容操作 ,其中-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,类似于扩容阈值。它的值始终是当前ConcurrentHashMap容量的0.75倍,这与loadfactor是对应的。实际容量>=sizeCtl,则扩容。

1、 transient volatile Node<K,V>[] table;是一个容器数组,第一次插入数据的时候初始化,大小是2的幂次方。这就是我们所说的底层结构:”数组+链表(或树)”

2、private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; // 最大容量

3、private static final intDEFAULT_CAPACITY = 16;

4、static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8; // MAX_VALUE=2^31-1=2147483647

5、private static finalint DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

6、private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;

7、static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; // 链表转树的阀值,如果table[i]下面的链表长度大于8时就转化为数

8、static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //树转链表的阀值,小于等于6是转为链表,仅在扩容tranfer时才可能树转链表

9、static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;

10、private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;

11、private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;

12、private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1; // help resize的最大线程数

13、private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;

14、static final int MOVED = -1; // hash for forwarding nodes(forwarding nodes的hash值)、标示位

15、static final int TREEBIN = -2; // hash for roots of trees(树根节点的hash值)

16、static final int RESERVED = -3; // hash for transient reservations(ReservationNode的hash值)

3、ConcurrentHashMap的构造函数

和往常一样,我们还是从类的构造函数开始说起。

    /**
     * Creates a new, empty map with the default initial table size (16).
     */
    public ConcurrentHashMap() 
    

    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) 
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
                   MAXIMUM_CAPACITY :
                   tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
        this.sizeCtl = cap;
    

    /*
     * Creates a new map with the same mappings as the given map.
     *
     */
    public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) 
        this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
        putAll(m);
    

    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) 
        this(initialCapacity, loadFactor, 1);
    
    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                             float loadFactor, int concurrencyLevel) 
        if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (initialCapacity < concurrencyLevel)   // Use at least as many bins
            initialCapacity = concurrencyLevel;   // as estimated threads
        long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
        int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
            MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
        this.sizeCtl = cap;
    

有过HashMap和Hashtable源码经历,看这些构造函数是不是相当easy哈。

上面的构造函数主要干了两件事:

1、参数的有效性检查

2、table初始化的长度(如果不指定默认情况下为16)。

这里要说一个参数:concurrencyLevel,表示能够同时更新ConccurentHashMap且不产生锁竞争的最大线程数。默认值为16,(即允许16个线程并发可能不会产生竞争)。为了保证并发的性能,我们要很好的估计出concurrencyLevel值,不然要么竞争相当厉害,从而导致线程试图写入当前锁定的段时阻塞。

ConcurrentHashMap类中相关节点类:Node/TreeNode/TreeBin

1、Node类

Node类是table数组中的存储元素,即一个Node对象就代表一个键值对(key,value)存储在table中。

Node类是没有提供修改入口的(唯一的setValue方法抛异常),因此只能用于只读遍历。

此类的具体代码如下:

    /*
     *Node类是没有提供修改入口的(setValue方法抛异常,供子类实现),
     即是可读的。只能用于只读遍历。
     */
    static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> 
        final int hash;
        final K key;
        volatile V val;//volatile,保证可见性
        volatile Node<K,V> next;

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

        public final K getKey()        return key; 
        public final V getValue()      return val; 
        /*
            HashMap中Node类的hashCode()方法中的代码为:Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value)
            而Objects.hashCode(key)最终也是调用了 key.hashCode(),因此,效果一样。写法不一样罢了
        */;
        public final int hashCode()    return key.hashCode() ^ val.hashCode(); 
        public final String toString() return key + "=" + val; 
        public final V setValue(V value)  // 不允许修改value值,HashMap允许
            throw new UnsupportedOperationException();
        
        /*
             HashMap使用if (o == this),且嵌套if;ConcurrentHashMap使用&& 
             个人觉得HashMap格式的代码更好阅读和理解
        */
        public final boolean equals(Object o) 
            Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;
            return ((o instanceof Map.Entry) &&
                    (k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&
                    (v = e.getValue()) != null &&
                    (k == key || k.equals(key)) &&
                    (v == (u = val) || v.equals(u)));
        

        /*
         * Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses.
         *增加find方法辅助get方法  ,HashMap中的Node类中没有此方法
         */
        Node<K,V> find(int h, Object k) 
            Node<K,V> e = this;
            if (k != null) 
                do 
                    K ek;
                    if (e.hash == h &&
                        ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                        return e;
                 while ((e = e.next) != null);
            
            return null;
        
    

我们在看这个类时,可以与HashMap中的Node类的具体代码进行比较,发现在具体的实现上,有一定的细微的区别。

例如:在ConcurrentHashMap.Node的hashCode的代码是这样的:

     public final int hashCode()    return key.hashCode() ^ val.hashCode(); 

而HashMap.Node的hashCode的代码是这样的:

    public final int hashCode() 
                return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
            

而Objects.hashCode(key)最终也是调用了 key.hashCode(),因此,两者的效果一样,写法不一样罢了。

除了hashCode方法有一点差别,Node类中的find方法在两个类的实现中的写法也不一样。

2、TreeNode

    /*
     * Nodes for use in TreeBins 
     */
    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;
        

        Node<K,V> find(int h, Object k) 
            return findTreeNode(h, k, null);
        

        /*
         * Returns the TreeNode (or null if not found) for the given key
         * starting at given root.
         *根据给定的key值从root节点出发找出节点
         *  
         */
        final TreeNode<K,V> findTreeNode(int h, Object k, Class<?> kc) 
            if (k != null) //HashMap没有非空判断
                TreeNode<K,V> p = this;
                do  
                    int ph, dir; K pk; TreeNode<K,V> q;
                    TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right;
                    if ((ph = p.hash) > h)
                        p = pl;
                    else if (ph < h)
                        p = pr;
                    else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk)))
                        return p;
                    else if (pl == null)
                        p = pr;
                    else if (pr == null)
                        p = pl;
                    else if ((kc != null ||
                              (kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
                             (dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
                        p = (dir < 0) ? pl : pr;
                    else if ((q = pr.findTreeNode(h, k, kc)) != null)
                        return q;
                    else
                        p = pl;
                 while (p != null);
            
            return null;
        
    

和HashMap相比,这里的TreeNode相当简洁;ConcurrentHashMap链表转树时,并不会直接转,
正如注释(Nodes for use in TreeBins)所说,只是把这些节点包装成TreeNode放到TreeBin中,
再由TreeBin来转化红黑树。红黑树不理解没关系,并不影响看ConcurrentHashMap的内部实现

3、TreeBins

TreeBin用于封装维护TreeNode,包含putTreeVal、lookRoot、UNlookRoot、remove、balanceInsetion、balanceDeletion等方法,当链表转树时,用于封装TreeNode,也就是说,ConcurrentHashMap的红黑树存放的时TreeBin,而不是treeNode。

TreeBins类代码太长,截取部分代码如下:

    static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> 
        TreeNode<K,V> root;
        volatile TreeNode<K,V> first;
        volatile Thread waiter;
        volatile int lockState;
        // values for lockState
        static final int WRITER = 1; // set while holding write lock
        static final int WAITER = 2; // set when waiting for write lock
        static final int READER = 4; // increment value for setting read lock

        /**
         * Creates bin with initial set of nodes headed by b.
         */
        TreeBin(TreeNode<K,V> b) 
            super(TREEBIN, null, null, null);
            this.first = b;
            TreeNode<K,V> r = null;
            for (TreeNode<K,V> x = b, next; x != null; x = next) 
                next = (TreeNode<K,V>)x.next;
                x.left = x.right = null;
                if (r == null) 
                    x.parent = null;
                    x.red = false;
                    r = x;
                
                else 
                    K k = x.key;
                    int h = x.hash;
                    Class<?> kc = null;
                    for (TreeNode<K,V> p = r;;) 
                        int dir, ph;
                        K pk = p.key;
                        if ((ph = p.hash) > h)
                            dir = -1;
                        else if (ph < h)
                            dir = 1;
                        else if ((kc == null &&
                                  (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                                 (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                            dir = tieBreakOrder(k, pk);
                            TreeNode<K,V> xp = p;
                        if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) 
                            x.parent = xp;
                            if (dir <= 0)
                                xp.left = x;
                            else
                                xp.right = x;
                            r = balanceInsertion(r, x);
                            break;
                        
                    
                
            
            this.root = r;
            assert checkInvariants(root);
        
        //........other methods
    

5、ForwardingNode:在transfer操作中,将一个节点插入到桶中

    /*
     * A node inserted at head of bins during transfer operations.
     *在transfer操作中,一个节点插入到bins中
     */
    static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> 
        final Node<K,V>[] nextTable;
        ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) 
            //Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next)是Node类的构造函数
            super(MOVED, null, null, null);
            this.nextTable = tab;
        

        Node<K,V> find(int h, Object k) 
            // loop to avoid arbitrarily deep recursion on forwarding nodes
            outer: for (Node<K,V>[] tab = nextTable;;) 
                Node<K,V> e; int n;
                if (k == null || tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
                    (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) == null)
                    return null;
                for (;;) 
                    int eh; K ek;
                    if ((eh = e.hash) == h &&
                        ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                        return e;
                    if (eh < 0) 
                        if (e instanceof ForwardingNode) 
                            tab = ((ForwardingNode<K,V>)e).nextTable;
                            continue outer;
                        
                        else
                            return e.find(h, k);
                    
                    if ((e = e.next) == null)
                        return null;
                
            
        
    

ConcurrentHashMap类中的put(K key, V value)方法的原理分析

我们对Node、TreeNode、TreeBin有一点认识后,我们就可以看下ConcurrentHashMap类的put方法是如何来实现的了,这里给出一个建议,关于容器我们用的最多的就是put、get方法了,我们看源码的实现,我们核心要关注的就是put、get方法的实现,只要我们弄懂这两个方法实现,这个类的大概实现思想我们也就知道了哈

基于此,我们就先来看ConcurrentHashMap类的put方法

put(K key, V value)方法的功能:将制定的键值对映射到table中,key/value均不能为null

put方法的代码如下:

    public V put(K key, V value) 
        return putVal(key, value, false);
    

由于直接是调用了putVal(key, value, false)方法,那就我们就继续看。

putVal(key, value, false)方法的代码如下:

    /** 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());//计算hash值,两次hash操作
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) //类似于while(true),死循环,直到插入成功 
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)//检查是否初始化了,如果没有,则初始化
                tab = initTable();
                /*
                    i=(n-1)&hash 等价于i=hash%n(前提是n为2的幂次方).即取出table中位置的节点用f表示。
                    有如下两种情况:
                    1、如果table[i]==null(即该位置的节点为空,没有发生碰撞),则利用CAS操作直接存储在该位置,
                        如果CAS操作成功则退出死循环。
                    2、如果table[i]!=null(即该位置已经有其它节点,发生碰撞)
                */
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) 
                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)//检查table[i]的节点的hash是否等于MOVED,如果等于,则检测到正在扩容,则帮助其扩容
                tab = helpTransfer(tab, f);//帮助其扩容
            else //运行到这里,说明table[i]的节点的hash值不等于MOVED。
                V oldVal = null;
                synchronized (f) //锁定,(hash值相同的链表的头节点)
                    if (tabAt(tab, i) == f) //避免多线程,需要重新检查
                        if (fh >= 0) //链表节点
                            binCount = 1;
                            /*
                            下面的代码就是先查找链表中是否出现了此key,如果出现,则更新value,并跳出循环,
                            否则将节点加入到里阿尼报末尾并跳出循环
                            */
                            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)//仅putIfAbsent()方法中onlyIfAbsent为true
                                        e.val = value;//putIfAbsent()包含key则返回get,否则put并返回  
                                    break;
                                
                                Node<K,V> pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) //插入到链表末尾并跳出循环
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                
                            
                        
                        else if (f instanceof TreeBin)  //树节点,
                            Node<K,V> p;
                            binCount = 2;
                            if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                           value)) != null) //插入到树中
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            
                        
                    
                
                //插入成功后,如果插入的是链表节点,则要判断下该桶位是否要转化为树
                if (binCount != 0) 
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)//实则是>8,执行else,说明该桶位本就有Node
                        treeifyBin(tab, i);//若length<64,直接tryPresize,两倍table.length;不转树 
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                
            
        
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    

代码比较长哈,但是不要怕,我刚开始看的时候,也被长度给吓住了,怎么可以有这么长的方法呢,HashMap中put方法的长度就很短的么。

虽然很长,但是思路相当的简单。代码详细流程如下,在上面代码中也有详细的注释

/*
putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent)方法干的工作如下:
1、检查key/value是否为空,如果为空,则抛异常,否则进行2
2、进入for死循环,进行3
3、检查table是否初始化了,如果没有,则调用initTable()进行初始化然后进行 2,否则进行4
4、根据key的hash值计算出其应该在table中储存的位置i,取出table[i]的节点用f表示。
    根据f的不同有如下三种情况:1)如果table[i]==null(即该位置的节点为空,没有发生碰撞),
                                则利用CAS操作直接存储在该位置,如果CAS操作成功则退出死循环。
                                2)如果table[i]!=null(即该位置已经有其它节点,发生碰撞),碰撞处理也有两种情况
                                    2.1)检查table[i]的节点的hash是否等于MOVED,如果等于,则检测到正在扩容,则帮助其扩容
                                    2.2)说明table[i]的节点的hash值不等于MOVED,如果table[i]为链表节点,则将此节点插入链表中即可
                                        如果table[i]为树节点,则将此节点插入树中即可。插入成功后,进行 5
5、如果table[i]的节点是链表节点,则检查table的第i个位置的链表是否需要转化为数,如果需要则调用treeifyBin函数进行转化


*/

可能你觉得上面的详细流程也比较多哈,但是不要怕,用两句话来总结的话,是如下的两步:

1、第一步根据给定的key的hash值找到其在table中的位置index。

2、找到位置index后,存储进行就好了。

只是这里的存储有三种情况罢了,第一种:table[index]中没有任何其他元素,即此元素没有发生碰撞,这种情况直接存储就好了哈。第二种,table[i]存储的是一个链表,如果链表不存在key则直接加入到链表尾部即可,如果存在key则更新其对应的value。第三种,table[i]存储的是一个树,则按照树添加节点的方法添加就好。

在putVal函数,出现了如下几个函数

1、casTabAt tabAt 等CAS操作

2、initTable 作用是初始化table数组

3、treeifyBin 作用是将table[i]的链表转化为树

下面将分别进行介绍。

这里给出第二个建议,当一个类的代码量相当大且复杂时,从我们感兴趣的方法出发,然后是遇到哪个方法就才解决哪个方法

3个用的比较多的CAS操作:casTabAt tabAt setTabAt

    /*
        3个用的比较多的CAS操作
    */

    @SuppressWarnings("unchecked") // ASHIFT等均为private static final  
    static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i)  // 获取索引i处Node  
        return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);  
      
    // 利用CAS算法设置i位置上的Node节点(将c和table[i]比较,相同则插入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);  
      
    // 设置节点位置的值,仅在上锁区被调用  
    static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v)   
        U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);  
    

initTable() terrifyBin方法

在putVal方法中遇到的第一个扩容函数为:initTable,即初始化

代码如下,注释相当详细,这里就不再解释。

    /**
     * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
     */
    private final Node<K,V>[] initTable() 
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) 
            if ((sc = sizeCtl) < 0)//如果sizeCtl为负数,则说明已经有其它线程正在进行扩容,即正在初始化或初始化完成
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
                //如果CAS成功,则表示正在初始化,设置为 -1,否则说明其它线程已经对其正在初始化或是已经初始化完毕
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) 
                try 
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) //再一次检查确认是否还没有初始化
                        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);//即sc = 0.75n。
                    
                 finally 
                    sizeCtl = sc;//sizeCtl = 0.75*Capacity,为扩容门限
                
                break;
            
        
        return tab;
    

treeifyBin方法:将数组tab的第index位置的链表转化为 树

    /*
     *链表转树:将将数组tab的第index位置的链表转化为 树
     */
    private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) 
        Node<K,V> b; int n, sc;
        if (tab != null) 
            if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)// 容量<64,则table两倍扩容,不转树了
                tryPresize(n << 1);
            else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) 
                synchronized (b)  // 读写锁  
                    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));
                    
                
            
        
    

treeifyBin方法的思想也相当的简单,如下:

1、检查下table的长度是否大于等于MIN_TREEIFY_CAPACITY(64),如果不大于,则调用tryPresize方法将table两倍扩容就可以了,就不降链表转化为树了。如果大于,则就将table[i]的链表转化为树。

tryPresize方法

在putVal方法中遇到的第二个扩容函数为:tryPresize

    /*
        扩容相关
        tryPresize在putAll以及treeifyBin中调用
    */
    private final void tryPresize(int size) 
        // 给定的容量若>=MAXIMUM_CAPACITY的一半,直接扩容到允许的最大值,否则调用tableSizeFor函数扩容 
        int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
            tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);//tableSizeFor(count)的作用是找到大于等于count的最小的2的幂次方
        int sc;
        while ((sc = sizeCtl) >= 0) //只有大于等于0才表示该线程可以扩容,具体看sizeCtl的含义
            Node<K,V>[] tab = table; int n;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0) //没有被初始化
                n = (sc > c) ? sc : c;
                // 期间没有其他线程对表操作,则CAS将SIZECTL状态置为-1,表示正在进行初始化  
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) 
                    try 
                        if (table == tab) //再一次检查
                            @SuppressWarnings("unchecked")
                            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                            table = nt;
                            sc = n - (n >>> 2);//无符号右移2位,此即0.75*n 
                        
                     finally 
                        sizeCtl = sc;// 更新扩容阀值  
                    
                
            
            // 若欲扩容值不大于原阀值,或现有容量>=最值,什么都不用做了 
            else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
                break;
            else if (tab == table)  // table不为空,且在此期间其他线程未修改table  
                int rs = resizeStamp(n);
                if (sc < 0) //这里的sc可能小于零么???不明白为什么会有此判断
                    Node<K,V>[] nt;//RESIZE_STAMP_SHIFT=16,MAX_RESIZERS=2^15-1  
                    if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                        sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                        transferIndex <= 0)
                        break;
                    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                        transfer(tab, nt);
                
                else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                             (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                    transfer(tab, null);
            
        
    

    /*
      Returns the stamp bits for resizing a table of size n.当扩容到n时,调用该函数返回一个标志位
      Must be negative when shifted left by RESIZE_STAMP_SHIFT.
      numberOfLeadingZeros返回n对应32位二进制数左侧0的个数,如9(1001)返回28  
      RESIZE_STAMP_BITS=16,
      因此返回值为:(参数n的左侧0的个数)|(2^15)  
     */
    static final int resizeStamp(int n) 
        return Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1));
    

既然是扩容,思路就比较简单哈,注释的相当详细,就不介绍了哈,在这个函数中调用transfer函数,transfer方法的代码太长,这里不贴出。

在transfer方法中,用到了如下的属性

private transient volatile Node<K,V>[] nextTable; 

仅仅在扩容使用,并且此时非空。

在扩容的过程中,还有一个辅助方法:helpTransfer方法。

代码如下:

    /*
     * Helps transfer if a resize is in progress.
     *在多线程情况下,如果发现其它线程正在扩容,则帮助转移元素。
     (只有这种情况会被调用)从某种程度上说,其“优先级”很高,只要检测到扩容,就会放下其他工作,先扩容。
     */
    final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) // 调用之前,nextTable一定已存在。
        Node<K,V>[] nextTab; int sc;
        if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
            (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) 
            int rs = resizeStamp(tab.length);//标志位
            while (nextTab == nextTable && table == tab &&
                   (sc = sizeCtl) < 0) 
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
                    break;
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) 
                    transfer(tab, nextTab);//调用扩容方法,直接进入复制阶段  
                    break;
                
            
            return nextTab;
        
        return table;
    

以上就把跟putVal相关的函数都看了一篇哈,可能细节我们没有看懂,但是各个方法的思路我们都清楚了,继续往下面来看

分析ConcurrentHashMap类的get(int key)方法

看完了ConcurrentHashMap类的put(int key ,int value)方法的内部实现,接着看此类的get(int key)方法。

    /*
     功能:根据key在Map中找出其对应的value,如果不存在key,则返回null,
     其中key不允许为null,否则抛异常
     */
    public V get(Object key) 
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
        int h = spread(key.hashCode());//两次hash计算出hash值
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&//table不能为null,是吧
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) //table[i]不能为空,是吧
            if ((eh = e.hash) == h) //检查头结点
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null以上是关于《Java源码分析》:ConcurrentHashMap  JDK1.8的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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