Java7 ConcurrentHashMap详解

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Java7 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 和 HashMap 思路是差不多的，但是因为它支持并发操作，所以要复杂一些。

整个 ConcurrentHashMap 由一个个 Segment 组成，Segment 代表”部分“或”一段“的意思，所以很多地方都会将其描述为分段锁。注意，行文中，我很多地方用了“槽”来代表一个 segment。

简单理解就是，ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组，Segment 通过继承 ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。

concurrencyLevel：并行级别、并发数、Segment 数，怎么翻译不重要，理解它。默认是 16，也就是说 ConcurrentHashMap 有 16 个 Segments，所以理论上，这个时候，最多可以同时支持 16 个线程并发写，只要它们的操作分别分布在不同的 Segment 上。这个值可以在初始化的时候设置为其他值，但是一旦初始化以后，它是不可以扩容的。

再具体到每个 Segment 内部，其实每个 Segment 很像之前介绍的 HashMap，不过它要保证线程安全，所以处理起来要麻烦些。

初始化

• initialCapacity：初始容量，这个值指的是整个 ConcurrentHashMap 的初始容量，实际操作的时候需要平均分给每个 Segment。- loadFactor：负载因子，之前我们说了，Segment 数组不可以扩容，所以这个负载因子是给每个 Segment 内部使用的。
  ```
  public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
  float loadFactor, int concurrencyLevel) {
  if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
  throw new IllegalArgumentException();
  if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
  concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
  // Find power-of-two sizes best matching arguments
  int sshift = 0;
  int ssize = 1;
  // 计算并行级别 ssize，因为要保持并行级别是 2 的 n 次方
  while (ssize < concurrencyLevel) {
  ++sshift;
  ssize <<= 1;
  }
  // 我们这里先不要那么烧脑，用默认值，concurrencyLevel 为 16，sshift 为 4
  // 那么计算出 segmentShift 为 28，segmentMask 为 15，后面会用到这两个值
  this.segmentShift = 32 - sshift;
  this.segmentMask = ssize - 1;

  if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
  initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
  // initialCapacity 是设置整个 map 初始的大小，
  // 这里根据 initialCapacity 计算 Segment 数组中每个位置可以分到的大小
  // 如 initialCapacity 为 64，那么每个 Segment 或称之为”槽”可以分到 4 个
  int c = initialCapacity / ssize;
  if (c * ssize < initialCapacity)
  ++c;
  // 默认 MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY 是 2，这个值也是有讲究的，因为这样的话，对于具体的槽上，
  // 插入一个元素不至于扩容，插入第二个的时候才会扩容
  int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
  while (cap < c)
  cap <<= 1;
  // 创建 Segment 数组，
  // 并创建数组的第一个元素 segment[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];
  // 往数组写入 segment[0]
  UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
  this.segments = ss;

}

初始化完成，我们得到了一个 Segment 数组。

我们就当是用 new ConcurrentHashMap() 无参构造函数进行初始化的，那么初始化完成后：
- Segment 数组长度为 16，不可以扩容- Segment[i] 的默认大小为 2，负载因子是 0.75，得出初始阈值为 1.5，也就是以后插入第一个元素不会触发扩容，插入第二个会进行第一次扩容- 这里初始化了 segment[0]，其他位置还是 null，至于为什么要初始化 segment[0]，后面的代码会介绍- 当前 segmentShift 的值为 32 - 4 = 28，segmentMask 为 16 - 1 = 15，姑且把它们简单翻译为移位数和掩码，这两个值马上就会用到
## put 过程分析

我们先看 put 的主流程，对于其中的一些关键细节操作，后面会进行详细介绍。

public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
// 1. 计算 key 的 hash 值
int hash = hash(key);
// 2. 根据 hash 值找到 Segment 数组中的位置 j
// hash 是 32 位，无符号右移 segmentShift(28) 位，剩下低 4 位，
// 然后和 segmentMask(15) 做一次与操作，也就是说 j 是 hash 值的最后 4 位，也就是槽的数组下标
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
// 刚刚说了，初始化的时候初始化了 segment[0]，但是其他位置还是 null，
// ensureSegment(j) 对 segment[j] 进行初始化
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
// 3. 插入新值到 槽 s 中
return s.put(key, hash, value, false);
}

第一层皮很简单，根据 hash 值很快就能找到相应的 Segment，之后就是 Segment 内部的 put 操作了。

Segment 内部是由 **数组+链表** 组成的。

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 在往该 segment 写入前，需要先获取该 segment 的独占锁
// 先看主流程，后面还会具体介绍这部分内容
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
// 这个是 segment 内部的数组
HashEntry<K,V>[] tab = table;
// 再利用 hash 值，求应该放置的数组下标
int index = (tab.length - 1) & hash;
// first 是数组该位置处的链表的表头
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);

    // 下面这串 for 循环虽然很长，不过也很好理解，想想该位置没有任何元素和已经存在一个链表这两种情况
    for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
        if (e != null) {
            K k;
            if ((k = e.key) == key ||
                (e.hash == hash && key.equals(k))) {
                oldValue = e.value;
                if (!onlyIfAbsent) {
                    // 覆盖旧值
                    e.value = value;
                    ++modCount;
                }
                break;
            }
            // 继续顺着链表走
            e = e.next;
        }
        else {
            // node 到底是不是 null，这个要看获取锁的过程，不过和这里都没有关系。
            // 如果不为 null，那就直接将它设置为链表表头；如果是null，初始化并设置为链表表头。
            if (node != null)
                node.setNext(first);
            else
                node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);

            int c = count + 1;
            // 如果超过了该 segment 的阈值，这个 segment 需要扩容
            if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                rehash(node); // 扩容后面也会具体分析
            else
                // 没有达到阈值，将 node 放到数组 tab 的 index 位置，
                // 其实就是将新的节点设置成原链表的表头
                setEntryAt(tab, index, node);
            ++modCount;
            count = c;
            oldValue = null;
            break;
        }
    }
} finally {
    // 解锁
    unlock();
}
return oldValue;

}

整体流程还是比较简单的，由于有独占锁的保护，所以 segment 内部的操作并不复杂。至于这里面的并发问题，我们稍后再进行介绍。

到这里 put 操作就结束了，接下来，我们说一说其中几步关键的操作。

## 初始化槽: ensureSegment

ConcurrentHashMap 初始化的时候会初始化第一个槽 segment[0]，对于其他槽来说，在插入第一个值的时候进行初始化。

这里需要考虑并发，因为很可能会有多个线程同时进来初始化同一个槽 segment[k]，不过只要有一个成功了就可以。

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;
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
// 这里看到为什么之前要初始化 segment[0] 了，
// 使用当前 segment[0] 处的数组长度和负载因子来初始化 segment[k]
// 为什么要用“当前”，因为 segment[0] 可能早就扩容过了
Segment<K,V> proto = ss[0];
int cap = proto.table.length;
float lf = proto.loadFactor;
int threshold = (int)(cap * lf);

    // 初始化 segment[k] 内部的数组
    HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
        == null) { // 再次检查一遍该槽是否被其他线程初始化了。

        Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
        // 使用 while 循环，内部用 CAS，当前线程成功设值或其他线程成功设值后，退出
        while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
               == null) {
            if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
                break;
        }
    }
}
return seg;

}

总的来说，ensureSegment(int k) 比较简单，对于并发操作使用 CAS 进行控制。

>  
 我没搞懂这里为什么要搞一个 while 循环，CAS 失败不就代表有其他线程成功了吗，为什么要再进行判断？ 


## 获取写入锁: scanAndLockForPut

前面我们看到，在往某个 segment 中 put 的时候，首先会调用 node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value)，也就是说先进行一次 tryLock() 快速获取该 segment 的独占锁，如果失败，那么进入到 scanAndLockForPut 这个方法来获取锁。

下面我们来具体分析这个方法中是怎么控制加锁的。

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

// 循环获取锁
while (!tryLock()) {
    HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
    if (retries < 0) {
        if (e == null) {
            if (node == null) // speculatively create node
                // 进到这里说明数组该位置的链表是空的，没有任何元素
                // 当然，进到这里的另一个原因是 tryLock() 失败，所以该槽存在并发，不一定是该位置
                node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
            retries = 0;
        }
        else if (key.equals(e.key))
            retries = 0;
        else
            // 顺着链表往下走
            e = e.next;
    }
    // 重试次数如果超过 MAX_SCAN_RETRIES（单核1多核64），那么不抢了，进入到阻塞队列等待锁
    //    lock() 是阻塞方法，直到获取锁后返回
    else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
        lock();
        break;
    }
    else if ((retries & 1) == 0 &&
             // 这个时候是有大问题了，那就是有新的元素进到了链表，成为了新的表头
             //     所以这边的策略是，相当于重新走一遍这个 scanAndLockForPut 方法
             (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
        e = first = f; // re-traverse if entry changed
        retries = -1;
    }
}
return node;

}

这个方法有两个出口，一个是 tryLock() 成功了，循环终止，另一个就是重试次数超过了 MAX_SCAN_RETRIES，进到 lock() 方法，此方法会阻塞等待，直到成功拿到独占锁。

这个方法就是看似复杂，但是其实就是做了一件事，那就是获取该 segment 的独占锁，如果需要的话顺便实例化了一下 node。

## 扩容: rehash

重复一下，segment 数组不能扩容，扩容是 segment 数组某个位置内部的数组 HashEntry[] 进行扩容，扩容后，容量为原来的 2 倍。

首先，我们要回顾一下触发扩容的地方，put 的时候，如果判断该值的插入会导致该 segment 的元素个数超过阈值，那么先进行扩容，再插值，读者这个时候可以回去 put 方法看一眼。

该方法不需要考虑并发，因为到这里的时候，是持有该 **segment 的独占锁的**。

// 方法参数上的 node 是这次扩容后，需要添加到新的数组中的数据。
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
// 2 倍
int newCapacity = oldCapacity << 1;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
// 创建新数组
HashEntry<K,V>[] newTable =
(HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
// 新的掩码，如从 16 扩容到 32，那么 sizeMask 为 31，对应二进制 ‘000…00011111’
int sizeMask = newCapacity - 1;

// 遍历原数组，老套路，将原数组位置 i 处的链表拆分到 新数组位置 i 和 i+oldCap 两个位置
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
    // e 是链表的第一个元素
    HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
    if (e != null) {
        HashEntry<K,V> next = e.next;
        // 计算应该放置在新数组中的位置，
        // 假设原数组长度为 16，e 在 oldTable[3] 处，那么 idx 只可能是 3 或者是 3 + 16 = 19
        int idx = e.hash & sizeMask;
        if (next == null)   // 该位置处只有一个元素，那比较好办
            newTable[idx] = e;
        else { // Reuse consecutive sequence at same slot
            // e 是链表表头
            HashEntry<K,V> lastRun = e;
            // idx 是当前链表的头结点 e 的新位置
            int lastIdx = idx;

            // 下面这个 for 循环会找到一个 lastRun 节点，这个节点之后的所有元素是将要放到一起的
            for (HashEntry<K,V> last = next;
                 last != null;
                 last = last.next) {
                int k = last.hash & sizeMask;
                if (k != lastIdx) {
                    lastIdx = k;
                    lastRun = last;
                }
            }
            // 将 lastRun 及其之后的所有节点组成的这个链表放到 lastIdx 这个位置
            newTable[lastIdx] = lastRun;
            // 下面的操作是处理 lastRun 之前的节点，
            //    这些节点可能分配在另一个链表中，也可能分配到上面的那个链表中
            for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
                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);
            }
        }
    }
}
// 将新来的 node 放到新数组中刚刚的 两个链表之一 的 头部
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node;
table = newTable;

}

这里的扩容比之前的 HashMap 要复杂一些，代码难懂一点。上面有两个挨着的 for 循环，第一个 for 有什么用呢？

仔细一看发现，如果没有第一个 for 循环，也是可以工作的，但是，这个 for 循环下来，如果 lastRun 的后面还有比较多的节点，那么这次就是值得的。因为我们只需要克隆 lastRun 前面的节点，后面的一串节点跟着 lastRun 走就是了，不需要做任何操作。

我觉得 Doug Lea 的这个想法也是挺有意思的，不过比较坏的情况就是每次 lastRun 都是链表的最后一个元素或者很靠后的元素，那么这次遍历就有点浪费了。**不过 Doug Lea 也说了，根据统计，如果使用默认的阈值，大约只有 1/6 的节点需要克隆。**

## get 过程分析

相对于 put 来说，get 真的不要太简单。
- 计算 hash 值，找到 segment 数组中的具体位置，或我们前面用的“槽”- 槽中也是一个数组，根据 hash 找到数组中具体的位置- 到这里是链表了，顺着链表进行查找即可

public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
// 1. hash 值
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
// 2. 根据 hash 找到对应的 segment
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
// 3. 找到segment 内部数组相应位置的链表，遍历
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
(tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
e != null; e = e.next) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
return e.value;
}
}
return null;
}

```

并发问题分析

现在我们已经说完了 put 过程和 get 过程，我们可以看到 get 过程中是没有加锁的，那自然我们就需要去考虑并发问题。

添加节点的操作 put 和删除节点的操作 remove 都是要加 segment 上的独占锁的，所以它们之间自然不会有问题，我们需要考虑的问题就是 get 的时候在同一个 segment 中发生了 put 或 remove 操作。

1、put 操作的线程安全性。

• 初始化槽，这个我们之前就说过了，使用了 CAS 来初始化 Segment 中的数组。- 添加节点到链表的操作是插入到表头的，所以，如果这个时候 get 操作在链表遍历的过程已经到了中间，是不会影响的。当然，另一个并发问题就是 get 操作在 put 之后，需要保证刚刚插入表头的节点被读取，这个依赖于 setEntryAt 方法中使用的 UNSAFE.putOrderedObject。- 扩容。扩容是新创建了数组，然后进行迁移数据，最后面将 newTable 设置给属性 table。所以，如果 get 操作此时也在进行，那么也没关系，如果 get 先行，那么就是在旧的 table 上做查询操作；而 put 先行，那么 put 操作的可见性保证就是 table 使用了 volatile 关键字。
  2、remove 操作的线程安全性。
• remove 操作我们没有分析源码，所以这里说的读者感兴趣的话还是需要到源码中去求实一下的。- get 操作需要遍历链表，但是 remove 操作会”破坏”链表。- 如果 remove 破坏的节点 get 操作已经过去了，那么这里不存在任何问题。- 如果 remove 先破坏了一个节点，分两种情况考虑。 1、如果此节点是头结点，那么需要将头结点的 next 设置为数组该位置的元素，table 虽然使用了 volatile 修饰，但是 volatile 并不能提供数组内部操作的可见性保证，所以源码中使用了 UNSAFE 来操作数组，请看方法 setEntryAt。2、如果要删除的节点不是头结点，它会将要删除节点的后继节点接到前驱节点中，这里的并发保证就是 next 属性是 volatile 的。

  出处：

原文地址：https://sihai.blog.csdn.net/article/details/79383550