ConcurrentHashMap

Posted 2021-02-28 luyuefei

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全且高效的HashMap实现。

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

1.Segment(分段锁) 初始容量 16

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（最小为2），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）。

2.内部结构

ConcurrentHashMap使用分段锁技术，将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，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，能够实现真正的并发访问。如下图是ConcurrentHashMap的内部结构图：

从上面的结构我们可以了解到，ConcurrentHashMap定位一个元素的过程需要进行两次Hash操作。

第一次Hash定位到Segment，第二次Hash定位到元素所在的链表的头部。

该结构的优劣势

坏处 :这一种结构的带来的副作用是Hash的过程要比普通的HashMap要长

好处 :写操作的时候可以只对元素所在的Segment进行加锁即可，不会影响到其他的Segment，这样，在最理想的情况下，ConcurrentHashMap可以最高同时支持Segment数量大小的写操作（刚好这些写操作都非常平均地分布在所有的Segment上）。

1.8使用Unsafe类的CAS自旋赋值+synchronized同步+LockSupport阻塞等手段实现的高效并发

put方法的逻辑

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    //1. 计算key的hash值
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        //2. 如果当前table还没有初始化先调用initTable方法将tab进行初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        //3. tab中索引为i的位置的元素为null，则直接使用CAS将值插入即可
        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
        }
        //4. 当前正在扩容
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    //5. 当前为链表，在链表中插入新的键值对
                    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;
                            }
                        }
                    }
                    // 6.当前为红黑树，将新的键值对插入到红黑树中
                    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;
                        }
                    }
                }
            }
            // 7.插入完键值对后再根据实际大小看是否需要转换成红黑树
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    //8.对当前容量大小进行检查，如果超过了临界值（实际大小*加载因子）就需要扩容 
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}
?

大致过程：1、判断Node[]数组是否初始化，没有则进行初始化操作 2、通过hash定位数组的索引坐标，是否有Node节点，如果没有则使用CAS进行添加（链表的头节点），添加失败则进入下次循环。 3、检查到内部正在扩容，就帮助它一块扩容。 4、如果f！=null，则使用synchronized锁住f元素（链表/红黑树的头元素）。如果是Node（链表结构）则执行链表的添加操作；如果是TreeNode（树型结构）则执行树添加操作。 5、判断链表长度已经达到临界值8（默认值），当节点超过这个值就需要把链表转换为树结构。 6、如果添加成功就调用addCount（）方法统计size，并且检查是否需要扩容

为了保证能够正确初始化，在第1步中会先通过if进行判断，若当前已经有一个线程正在初始化即sizeCtl值变为-1，这个时候其他线程在If判断为true从而调用Thread.yield()让出CPU时间片。正在进行初始化的线程会调用U.compareAndSwapInt方法将sizeCtl改为-1即正在初始化的状态。另外还需要注意的事情是，在第四步中会进一步计算数组中可用的大小即为数组实际大小n乘以加载因子0.75.可以看看这里乘以0.75是怎么算的，0.75为四分之三，这里n - (n >>> 2)是不是刚好是n-(1/4)n=(3/4)n，挺有意思的吧:)。如果选择是无参的构造器的话，这里在new Node数组的时候会使用默认大小为DEFAULT_CAPACITY（16），然后乘以加载因子0.75为12，也就是说数组的可用大小为12。

3.CAS关键操作

tabAt()该方法用来获取table数组中索引为i的Node元素。 casTabAt()利用CAS操作设置table数组中索引为i的元素 setTabAt()该方法用来设置table数组中索引为i的元素

总结与思考

其实可以看出JDK1.8版本的ConcurrentHashMap的数据结构已经接近HashMap，相对而言，ConcurrentHashMap只是增加了同步的操作来控制并发，从JDK1.7版本的ReentrantLock+Segment+HashEntry，到JDK1.8版本中synchronized+CAS+HashEntry+红黑树,相对而言，总结如下思考

JDK1.8的实现降低锁的粒度，JDK1.7版本锁的粒度是基于Segment的，包含多个HashEntry，而JDK1.8锁的粒度就是HashEntry（首节点）
JDK1.8版本的数据结构变得更加简单，使得操作也更加清晰流畅，因为已经使用synchronized来进行同步，所以不需要分段锁的概念，也就不需要Segment这种数据结构了，由于粒度的降低，实现的复杂度也增加了
JDK1.8使用红黑树来优化链表，基于长度很长的链表的遍历是一个很漫长的过程，而红黑树的遍历效率是很快的，代替一定阈值的链表，这样形成一个最佳拍档
JDK1.8为什么使用内置锁synchronized来代替重入锁ReentrantLock，我觉得有以下几点
    因为粒度降低了，在相对而言的低粒度加锁方式，synchronized并不比ReentrantLock差，在粗粒度加锁中ReentrantLock可能通过Condition来控制各个低粒度的边界，更加的灵活，而在低粒度中，Condition的优势就没有了
    JVM的开发团队从来都没有放弃synchronized，而且基于JVM的synchronized优化空间更大，使用内嵌的关键字比使用API更加自然
    在大量的数据操作下，对于JVM的内存压力，基于API的ReentrantLock会开销更多的内存，虽然不是瓶颈，但是也是一个选择依据