一文看懂ConcurrentHashMap源码

Posted 2022-11-04 Java小叮当

前言

思考：HashTable是线程安全的，为什么不推荐使用？一键获取22年最新面试题刷题手册

HashTable是一个线程安全的类，它使用synchronized来锁住整张Hash表来实现线程安全，即每次锁住整张表让线程独占，相当于所有线程进行读写时都去竞争一把锁，导致效率非常低下。

1 ConcurrentHashMap 1.7

在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了数组+分段锁的方式实现。

Segment(分段锁)-减少锁的粒度

ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表,同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock）。

1.存储结构

Java 7 版本 ConcurrentHashMap 的存储结构如图：


ConcurrnetHashMap 由很多个 Segment 组合，而每一个 Segment 是一个类似于 HashMap 的结构，所以每一个 HashMap 的内部可以进行扩容。但是 Segment 的个数一旦初始化就不能改变，默认 Segment 的个数是 16 个，所以可以认为 ConcurrentHashMap 默认支持最多 16 个线程并发。

2. 初始化

3. 通过 ConcurrentHashMap 的无参构造探寻 ConcurrentHashMap 的初始化流程。

  /**
     * Creates a new, empty map with a default initial capacity (16),
     * load factor (0.75) and concurrencyLevel (16).
     */
    public ConcurrentHashMap() 
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
    

无参构造中调用了有参构造，传入了三个参数的默认值，他们的值是。

 /**
     * 默认初始化容量,这个容量指的是Segment 的大小
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 默认负载因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * 默认并发级别，并发级别指的是Segment桶的个数，默认是16个并发大小
     */
    static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

Segment下面entryset数组的大小是用DEFAULT_INITIAL_CAPACITY/DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL求出来的。

接着看下这个有参构造函数的内部实现逻辑。

@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) 
    // 参数校验
    if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 校验并发级别大小，大于 1<<16，重置为 65536
    if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
        concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
    // Find power-of-two sizes best matching arguments
    // 2的多少次方
    int sshift = 0;//控制segment数组的大小
    int ssize = 1;
    // 这个循环可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值
    while (ssize < concurrencyLevel) 
        ++sshift;//代表ssize左移的次数
        ssize <<= 1;
    
    // 记录段偏移量
    this.segmentShift = 32 - sshift;
    // 记录段掩码
    this.segmentMask = ssize - 1;
    // 设置容量   判断初始容量是否超过允许的最大容量
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    // c = 容量 / ssize ，默认 16 / 16 = 1，这里是计算每个 Segment 中的类似于 HashMap 的容量
   //求entrySet数组的大小，这个地方需要保证entrySet数组的大小至少可以存储下initialCapacity的容量，假设initialCapacity为33，ssize为16，那么c=2,所以if语句是true，那么c=3,MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY初始值是2，所以if语句成立，那么cap=4，所以每一个segment的容量初始为4，segment为16，16*4>33成立，entrySet数组的大小也需要是2的幂次方
    int c = initialCapacity / ssize;
    if (c * ssize < initialCapacity)
        ++c;
    int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
    //Segment 中的类似于 HashMap 的容量至少是2或者2的倍数
    while (cap < c)
        cap <<= 1;
    // create segments and segments[0]
    // 创建 Segment 数组，设置 segments[0]
    Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                         (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
    Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
    UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
    this.segments = ss;

总结一下在 Java 7 中 ConcurrnetHashMap 的初始化逻辑。

必要参数校验。 校验并发级别 concurrencyLevel 大小，如果大于最大值，重置为最大值。无参构造默认值是 16. 寻找并发级别
concurrencyLevel 之上最近的 2 的幂次方值，作为初始化容量大小，默认是 16。 记录 segmentShift
偏移量，这个值为【容量 = 2 的N次方】中的 N，在后面 Put 时计算位置时会用到。默认是 32 - sshift = 28. 记录
segmentMask，默认是 ssize - 1 = 16 -1 = 15. 初始化 segments[0]，默认大小为 2，负载因子
0.75，扩容阀值是 2*0.75=1.5，插入第二个值时才会进行扩容。

3. put

接着上面的初始化参数继续查看 put 方法源码。

/**
 * Maps the specified key to the specified value in this table.
 * Neither the key nor the value can be null.
 *
 * <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method
 * with a key that is equal to the original key.
 *
 * @param key key with which the specified value is to be associated
 * @param value value to be associated with the specified key
 * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
 *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>
 * @throws NullPointerException if the specified key or value is null
 */
public V put(K key, V value) 
    Segment<K,V> s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    // hash 值无符号右移 28位（初始化时获得），然后与 segmentMask=15 做与运算
    // 其实也就是把高4位与segmentMask（1111）做与运算
  
  // this.segmentMask = ssize - 1;
   //对hash值进行右移segmentShift位，计算元素对应segment中数组下表的位置
   //把hash右移segmentShift，相当于只要hash值的高32-segmentShift位，右移的目的是保留了hash值的高位。然后和segmentMask与操作计算元素在segment数组中的下表
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
   //使用unsafe对象获取数组中第j个位置的值，后面加上的是偏移量
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
         (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
        // 如果查找到的 Segment 为空，初始化
        s = ensureSegment(j);
   //插入segment对象
    return s.put(key, hash, value, false);


/**
 * Returns the segment for the given index, creating it and
 * recording in segment table (via CAS) if not already present.
 *
 * @param k the index
 * @return the segment
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) 
    final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
    long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
    Segment<K,V> seg;
    // 判断 u 位置的 Segment 是否为null
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) 
        Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
        // 获取0号 segment 里的 HashEntry<K,V> 初始化长度
        int cap = proto.table.length;
        // 获取0号 segment 里的 hash 表里的扩容负载因子，所有的 segment 的 loadFactor 是相同的
        float lf = proto.loadFactor;
        // 计算扩容阀值
        int threshold = (int)(cap * lf);
        // 创建一个 cap 容量的 HashEntry 数组
        HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
        if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null)  // recheck
            // 再次检查 u 位置的 Segment 是否为null，因为这时可能有其他线程进行了操作
            Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
            // 自旋检查 u 位置的 Segment 是否为null
            while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
                   == null) 
                // 使用CAS 赋值，只会成功一次
                if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
                    break;
            
        
    
    return seg;

上面的源码分析了 ConcurrentHashMap 在 put 一个数据时的处理流程，下面梳理下具体流程。

计算要 put 的 key 的位置，获取指定位置的 Segment。

如果指定位置的 Segment 为空，则初始化这个 Segment.

初始化 Segment 流程：

检查计算得到的位置的 Segment 是否为null. 为 null 继续初始化，使用 Segment[0] 的容量和负载因子创建一个
HashEntry 数组。 再次检查计算得到的指定位置的 Segment 是否为null. 使用创建的 HashEntry 数组初始化这个
Segment. 自旋判断计算得到的指定位置的 Segment 是否为null，使用 CAS 在这个位置赋值为 Segment.

3.Segment.put 插入 key,value 值。

上面探究了获取 Segment 段和初始化 Segment 段的操作。最后一行的 Segment 的 put 方法还没有查看，继续分析。

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) 
    // 获取 ReentrantLock 独占锁，获取不到，scanAndLockForPut 获取。
    HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
    V oldValue;
    try 
        HashEntry<K,V>[] tab = table;
        // 计算要put的数据位置
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        // CAS 获取 index 坐标的值
        HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
        for (HashEntry<K,V> e = first;;) 
            if (e != null) 
                // 检查是否 key 已经存在，如果存在，则遍历链表寻找位置，找到后替换 value
                K k;
                if ((k = e.key) == key ||
                    (e.hash == hash && key.equals(k))) 
                    oldValue = e.value;
                    if (!onlyIfAbsent) 
                        e.value = value;
                        ++modCount;
                    
                    break;
                
                e = e.next;
            
            else 
                // first 有值没说明 index 位置已经有值了，有冲突，链表头插法。
                if (node != null)
                    node.setNext(first);
                else
                    node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
                int c = count + 1;
                // 容量大于扩容阀值，小于最大容量，进行扩容
                if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                    rehash(node);
                else
                    // index 位置赋值 node，node 可能是一个元素，也可能是一个链表的表头
                    setEntryAt(tab, index, node);
                ++modCount;
                count = c;
                oldValue = null;
                break;
            
        
     finally 
        unlock();
    
    return oldValue;

由于 Segment 继承了 ReentrantLock，所以 Segment 内部可以很方便的获取锁，put 流程就用到了这个功能。

• tryLock() 获取锁，获取不到使用 scanAndLockForPut 方法继续获取。

• 计算 put 的数据要放入的 index 位置，然后获取这个位置上的 HashEntry 。

• 遍历 put 新元素，为什么要遍历？因为这里获取的 HashEntry 可能是一个空元素，也可能是链表已存在，所以要区别对待。

如果这个位置上的 HashEntry 不存在：

如果当前容量大于扩容阀值，小于最大容量，进行扩容。
直接头插法插入。
如果这个位置上的 HashEntry 存在：

• 判断链表当前元素 Key 和 hash 值是否和要 put 的 key 和 hash 值一致。一致则替换值
• 不一致，获取链表下一个节点，直到发现相同进行值替换，或者链表表里完毕没有相同的。
• 如果当前容量大于扩容阀值，小于最大容量，进行扩容。
• 直接链表头插法插入。
• 如果要插入的位置之前已经存在，替换后返回旧值，否则返回 null.

这里面的第一步中的 scanAndLockForPut 操作这里没有介绍，这个方法做的操作就是不断的自旋 tryLock() 获取锁。当自旋次数大于指定次数时，使用 lock() 阻塞获取锁。在自旋时顺表获取下 hash 位置的 HashEntry。

private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) 
    HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
    HashEntry<K,V> e = first;
    HashEntry<K,V> node = null;
    int retries = -1; // negative while locating node
    // 自旋获取锁
    while (!tryLock()) 
        HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
        if (retries < 0) 
            if (e == null) 
                if (node == null) // speculatively create node
                    node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
                retries = 0;
            
            else if (key.equals(e.key))
                retries = 0;
            else
                e = e.next;
        
        else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) 
            // 自旋达到指定次数后，阻塞等到只到获取到锁
            lock();
            break;
        
        else if ((retries & 1) == 0 &&
                 (f = entryForHash(this, hash)) != first) 
            e = first = f; // re-traverse if entry changed
            retries = -1;
        
    
    return node;

4. 扩容 rehash

ConcurrentHashMap 的扩容只会扩容到原来的两倍。老数组里的数据移动到新的数组时，位置要么不变，要么变为 index+ oldSize，参数里的 node 会在扩容之后使用链表头插法插入到指定位置。

private void rehash(HashEntry<K,V> node) 
    HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
    // 老容量
    int oldCapacity = oldTable.length;
    // 新容量，扩大两倍
    int newCapacity = oldCapacity << 1;
    // 新的扩容阀值 
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    // 创建新的数组
    HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
    // 新的掩码，默认2扩容后是4，-1是3，二进制就是11。
    int sizeMask = newCapacity - 1;
    for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) 
        // 遍历老数组
        HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
        if (e != null) 
            HashEntry<K,V> next = e.next;
            // 计算新的位置，新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
            int idx = e.hash & sizeMask;
            if (next == null)   //  Single node on list
                // 如果当前位置还不是链表，只是一个元素，直接赋值
                newTable[idx] = e;
            else  // Reuse consecutive sequence at same slot
                // 如果是链表了
                HashEntry<K,V> lastRun = e;
                int lastIdx = idx;
                // 新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
                // 遍历结束后，lastRun 后面的元素位置都是相同的
                for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) 
                    int k = last.hash & sizeMask;
                    if (k != lastIdx) 
                        lastIdx = k;
                        lastRun = last;
                    
                
                // ，lastRun 后面的元素位置都是相同的，直接作为链表赋值到新位置。
                newTable[lastIdx] = lastRun;
                // Clone remaining nodes
                for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) 
                    // 遍历剩余元素，头插法到指定 k 位置。
                    V v = p.value;
                    int h = p.hash;
                    int k = h & sizeMask;
                    HashEntry<K,V> n = newTable[k];
                    newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
                
            
        
    
    // 头插法插入新的节点
    int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
    node.setNext(newTable[nodeIndex]);
    newTable[nodeIndex] = node;
    table = newTable;

有些同学可能会对最后的两个 for 循环有疑惑，这里第一个 for 是为了寻找这样一个节点，这个节点后面的所有 next 节点的新位置都是