Java8 ConcurrentHashMap 存储、扩容源码阅读

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  • 1. 概述
  • 2. 入门实例
  • 3. 属性
  • 4. 核心方法
    • 4.1 put
    • 4.2 initTable
    • 4.3 transfer
    • 4.4 sizeCtl
    • 4.5 sizeCtl bug

1. 概述

ConcurrentHashMap 是线程安全且高效的 HashMap。

HashMap 可以看下我这篇 传送门 。

2. 入门实例

public class MyStudy {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<Integer, String> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<>();// 放入一个键值对，其中键为 1，值为 "1"// 该操作是线程安全的，可以在并发环境下使用而不会导致数据不一致问题。concurrentHashMap.put(1, "1");System.out.println(concurrentHashMap.get(1));// 如果该键已存在，则不会替换原有值。concurrentHashMap.putIfAbsent(1, "2");System.out.println(concurrentHashMap.get(1));}
}

运行截图：

在这里插入图片描述

HashMap 线程不安全的：

 public class MyStudy {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {for (int count = 0; count < 10; count++) {Map<Integer, String> hashMap = new HashMap<Integer, String>();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10000; i++) {hashMap.put(i, i + "a");}}).start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10000; i++) {hashMap.put(i, i + "b");}}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(3);System.out.println(hashMap.size());}}
}

运行截图, 两个线程并发数量都不对了

在这里插入图片描述

测试一下 ConcurrentHashMap 线程安全

public class MyStudy {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {for (int count = 0; count < 10; count++) {Map<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<Integer, String>();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10000; i++) {map.put(i, i + "a");}}).start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10000; i++) {map.put(i, i + "b");}}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(3);System.out.println(map.size());}}
}

运行截图, 数量对的，接下来我们看下源码
在这里插入图片描述

3. 属性

table存储数据，Node数组，Node可以是链表或红黑树，数据在 table中的下标计算规则 (n - 1) & hash。
nextTable 是 table 扩容 transfer 之后的数据，这样扩容过程中 get 操作，不受扩容影响。

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

4. 核心方法

4.1 put

  • 计算hash值 : int hash = spread(key.hashCode());

  • 如果tab为空，初始化 : initTable()

  • tab中该hash的位置没有数据, CAS线程安全放入数据 casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))

  • tab中该hash的位置有数据, 但是数据正在扩容转移, 当前线程帮助转移数据到扩容的新数组 tab = helpTransfer(tab, f);

  • tab中该hash的位置有数据, 数据没在扩容转移, synchronized 锁住当前节点, 把数据放进去 synchronized (f)

  • addCount(1L, binCount); 新增一条数据, 如果需要扩容, 对数据进行转移 void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab)

put 源码如下:

public V put(K key, V value) {return putVal(key, value, false);
}                                final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();// 计算hash值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)// 如果tab为空，初始化tab = initTable();else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {// tab中该hash的位置没有数据, CAS安全放入数据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)// 槽点是转移节点(正在扩容)，当前线程帮助转移扩容tab = helpTransfer(tab, f);else {// 槽点有值的，先锁定当前槽点，保证其余线程不能操作// 如果是链表，新增值到链表的尾部// 如果是红黑树，使用红黑树新增的方法新增；V oldVal = null;// 锁定槽节点synchronized (f) {// 检查数据被修改了没if (tabAt(tab, i) == f) {// 链表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)))) {// 旧值oldVal = e.val;if (!onlyIfAbsent)e.val = value;break;}// 不存在 放到链表的最后Node<K,V> pred = e;if ((e = e.next) == null) {pred.next = new Node<K,V>(hash, key,value, null);break;}}}// 红黑树else if (f instanceof TreeBin) {Node<K,V> p;binCount = 2;if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,value)) != null) {// 旧值oldVal = p.val;if (!onlyIfAbsent)p.val = value;}}}}// binCount不为0if (binCount != 0) {// 如果大于阈值if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)// 树化treeifyBin(tab, i);if (oldVal != null)return oldVal;break;}}}// binCount+1， 如果需要扩容, 对数据进行转移addCount(1L, binCount);return null;
}

4.2 initTable

initTable 初始化数组:

private final Node<K,V>[] initTable() {Node<K,V>[] tab; int sc;while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {// sizeCtl小于0, 有线程正在初始化, 释放当前CPU调度权if ((sc = sizeCtl) < 0)Thread.yield(); // lost initialization race; just spin// CAS 赋值sizeCtl为-1，防止其他线程并发操作else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {try {// 双重check, tabel不为null说明没有初始化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;
}

4.3 transfer

  • 根据CPU核心数量 NCPU 和 最小步幅 MIN_TRANSFER_STRIDE，算出步幅 stride（每次转移数据数量的数量）
  • 如果新数组为空，初始化，大小为原数组的两倍，(Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1]
  • transferIndex 转移下标，transferIndex = n 数据从 table 最后一个元素开始转移， i = nextIndex - 1记录一下要开始转移的下标，bound 这次转移的底部 bound=transferIndex-stride, 修改 transferIndex 为 bound
  • --i >= bound， 当前线程开始转移每一个下标的数据，每个线程都可以走上面的流程算出自己的 下标 i 和 bound， 转移自己的这个区间， transferIndex 是通过 CAS修改的，保证不会重复执行
  • 最后一个线程执行完，finishing = advance = true; i = n; // recheck before commit 重新检查一遍
  • 检查完成，开始使用转移后的nextTab table = nextTab; sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {// 老数组的长度int n = tab.length, stride;//  根据CPU核心数量 `NCPU` 和 最小步幅 `MIN_TRANSFER_STRIDE`，算出步幅 `stride`（每次转移数据数量的数量）if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range// 如果新数组为空，初始化，大小为原数组的两倍，n << 1if (nextTab == null) { // initiatingtry {@SuppressWarnings("unchecked")Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];nextTab = nt;} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOMEsizeCtl = Integer.MAX_VALUE;return;}nextTable = nextTab;// 数据从 `table` 最后一个元素开始转移transferIndex = n;}// 新数组的长度int nextn = nextTab.length;// 转移节点ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);boolean advance = true;boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab// 无限自旋，i 的值会从原数组的最大值开始，慢慢递减到 0for (int i = 0, bound = 0;;) {Node<K,V> f; int fh;while (advance) {int nextIndex, nextBound;// --i 当前线程开始转移每一个下标的数据if (--i >= bound || finishing)advance = false;// 转移完成else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {i = -1;advance = false;}// 根据步幅算出边界boundelse if (U.compareAndSwapInt(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,nextBound = (nextIndex > stride ?nextIndex - stride : 0))) {bound = nextBound;// `i = nextIndex - 1`记录一下要开始转移的下标i = nextIndex - 1;advance = false;}}// 转移结束if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {int sc;if (finishing) {// 检查完成，开始使用转移后的nextTabnextTable = null;table = nextTab;sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);return;}if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)return;finishing = advance = true;// 重新检查一遍i = n; // recheck before commit}}// 节点为空 设置为转移节点else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);// 节点已经转移     else if ((fh = f.hash) == MOVED)advance = true; // already processed// 节点有值 拷贝转移else {synchronized (f) {if (tabAt(tab, i) == f) {Node<K,V> ln, hn;if (fh >= 0) {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;}// 如果节点只有单个数据，直接拷贝，如果是链表，循环多次组成链表拷贝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);elsehn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);}// 在新数组位置上放置拷贝的值setTabAt(nextTab, i, ln);setTabAt(nextTab, i + n, hn);// 在老数组位置上放上 ForwardingNode 节点// put 时，发现是 ForwardingNode 节点，就不会再动这个节点的数据了setTabAt(tab, i, fwd);advance = true;}// 红黑树的拷贝else if (f instanceof TreeBin) {// ...}}}}} 
}

4.4 sizeCtl

sizeCtl 有这几种情况：

  • sizeCtl > 0，容器容量， this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;，
  • sizeCtl = 0，默认初始值
  • sizeCtl = -1，表示table正在初始化 initTable() 中的 U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)
  • sizeCtl < -1 容器正在扩容；高16位存储扩容版本号，低16位代表着有n-1个线程正在参与扩容。

扩容的时候 sizeCtl 比较复杂， 以 32 -> 64 为例， n = 32：

  • 第一步 int rs = resizeStamp(n); rs = 1000 0000 0001 1010
  • 低16位代表着有n-1个线程正在参与扩容 U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2) ， SIZECTL变成负数 1000 0000 0001 1010 0000 0000 0000 00010， +2不是+1, 因为转移完还要检查一遍, 多出的1就是检查这一次
  • 高16位存储扩容版本号，版本号检查用到的地方： ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)、(sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs

4.5 sizeCtl bug

具体可以看这位博主的： 传送门

在这里插入图片描述

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