JAVA集合之ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap加锁原理
jdk1.8以前多个数组，分段加锁，一个数组一个锁
jdk1.8及以后优化细粒度，一个数组，每个元素进行CAS，如果失败说明有人了，此时synchronized对数组元素加锁，链表+红黑树处理，对数组每个元素加锁
ConcurrentHashMap使用场景
多个线程要访问同一个数据，synchronized加锁，CAS去进行安全的累加，去实现多线程场景下的安全的更新一个数据的效果，比较多的一个场景下，可能就是多个线程同时读写一个HashMap
ConcurrentHashMap出现的原因
多线程环境下，读写HashMap 会产生线程安全的问题，同时如果手动加锁synchronized，性能不好
eg.
Map map = new HashMap();
synchronized(map){
//业务逻辑
}
如果这样我们手动加锁的话，也能实现线程安全，但是如果我们多个线程的写操作同时对map.put() =数组[1],map.put() =数组[2],map.put() =数组[5],等几个不一样位置的数组进行操作的话，因为锁的原因会互相影响，大大的影响了性能，实际他们并无关联性所以不需要加锁，这时候ConcurrentHashMap出现来优化这种情况。
ConcurrentHashMap的特性
- 程序运行时能够同时更新 ConccurentHashMap 且不产生锁竞争的最大线程数。默认为 16，ConcurrentHashMap 会使用大于等于该值的最小2幂指数作为实际并发度（假如用户设置并发度为17，实际并发度则为32）。
- 天生线程安全。
- 每个线程put的时候采用cas策略保持线程安全，如果发现有竞争，cas失败，锁升级为synchronized对当前操作元素加锁。
ConcurrentHashMap重要参数
transient volatile Node<K,V>[] table;
//hash表初始化或扩容时的一个控制位标识量。
//负数代表正在进行初始化或扩容操作
//-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
private transient volatile int sizeCtl;
// hash值是-1，表示这是一个forwardNode节点
static final int MOVED = -1;
// hash值是-2 表示这是一个TreeBin节点
static final int TREEBIN = -2;
// 以下两个是用来控制扩容的时候 单线程进入的变量
/**
* The number of bits used for generation stamp in sizeCtl.
* Must be at least 6 for 32bit arrays.
*/
private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;
/**
* The bit shift for recording size stamp in sizeCtl.
*/
private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;
ConcurrentHashMap重要方法解读
三个核心方法
//获得在i位置上的Node节点
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
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。之所以能实现并发是因为他指定了原来这个节点的值是多少
//在CAS算法中，会比较内存中的值与你指定的这个值是否相等，如果相等才接受你的修改，否则拒绝你的修改
//因此当前线程中的值并不是最新的值，这种修改可能会覆盖掉其他线程的修改结果 有点类似于SVN
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);
}
//利用volatile方法设置节点位置的值
static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {
U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}
初始化方法
/**
* 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) {
//sizeCtl表示有其他线程正在进行初始化操作，把线程挂起。对于table的初始化工作，只能有一个线程在进行。
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {//利用CAS方法把sizectl的值置为-1 表示本线程正在进行初始化
try {
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);//相当于0.75*n 设置一个扩容的阈值
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
扩容方法transfer
当ConcurrentHashMap容量不足的时候，需要对table进行扩容。这个方法的基本思想跟HashMap是很像的，但是由于它是支持并发扩容的，所以要复杂的多。原因是它支持多线程进行扩容操作，而并没有加锁。我想这样做的目的不仅仅是为了满足concurrent的要求，而是希望利用并发处理去减少扩容带来的时间影响。因为在扩容的时候，总是会涉及到从一个“数组”到另一个“数组”拷贝的操作，如果这个操作能够并发进行，那真真是极好的了。
整个扩容操作分为两个部分
第一部分是构建一个nextTable,它的容量是原来的两倍，这个操作是单线程完成的。这个单线程的保证是通过RESIZE_STAMP_SHIFT这个常量经过一次运算来保证的，这个地方在后面会有提到；
第二个部分就是将原来table中的元素复制到nextTable中，这里允许多线程进行操作。
先来看一下单线程是如何完成的：
它的大体思想就是遍历、复制的过程。首先根据运算得到需要遍历的次数i，然后利用tabAt方法获得i位置的元素：
如果这个位置为空，就在原table中的i位置放入forwardNode节点，这个也是触发并发扩容的关键点；
如果这个位置是Node节点（fh>=0），如果它是一个链表的头节点，就构造一个反序链表，把他们分别放在nextTable的i和i+n的位置上
如果这个位置是TreeBin节点（fh<0），也做一个反序处理，并且判断是否需要untreefi，把处理的结果分别放在nextTable的i和i+n的位置上
遍历过所有的节点以后就完成了复制工作，这时让nextTable作为新的table，并且更新sizeCtl为新容量的0.75倍 ，完成扩容。
再看一下多线程是如何完成的：
在代码上有一个判断，如果遍历到的节点是forward节点，就向后继续遍历，再加上给节点上锁的机制，就完成了多线程的控制。多线程遍历节点，处理了一个节点，就把对应点的值set为forward，另一个线程看到forward，就向后遍历。这样交叉就完成了复制工作。而且还很好的解决了线程安全的问题。
/**
* 一个过渡的table表 只有在扩容的时候才会使用
*/
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
/**
* Moves and/or copies the nodes in each bin to new table. See
* above for explanation.
*/
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
if (nextTab == null) { // initiating
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];//构造一个nextTable对象 它的容量是原来的两倍
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
transferIndex = n;
}
int nextn = nextTab.length;
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);//构造一个连节点指针 用于标志位
boolean advance = true;//并发扩容的关键属性 如果等于true 说明这个节点已经处理过
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
//这个while循环体的作用就是在控制i-- 通过i--可以依次遍历原hash表中的节点
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
if (finishing) {
//如果所有的节点都已经完成复制工作 就把nextTable赋值给table 清空临时对象nextTable
nextTable = null;
table = nextTab;
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);//扩容阈值设置为原来容量的1.5倍 依然相当于现在容量的0.75倍
return;
}
//利用CAS方法更新这个扩容阈值，在这里面sizectl值减一，说明新加入一个线程参与到扩容操作
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
return;
finishing = advance = true;
i = n; // recheck before commit
}
}
//如果遍历到的节点为空 则放入ForwardingNode指针
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
//如果遍历到ForwardingNode节点 说明这个点已经被处理过了 直接跳过 这里是控制并发扩容的核心
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // already processed
else {
//节点上锁
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
//如果fh>=0 证明这是一个Node节点
if (fh >= 0) {
int runBit = fh & n;
//以下的部分在完成的工作是构造两个链表 一个是原链表 另一个是原链表的反序排列
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;
}
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);
else
hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
}
//在nextTable的i位置上插入一个链表
setTabAt(nextTab, i, ln);
//在nextTable的i+n的位置上插入另一个链表
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
//在table的i位置上插入forwardNode节点 表示已经处理过该节点
setTabAt(tab, i, fwd);
//设置advance为true 返回到上面的while循环中 就可以执行i--操作
advance = true;
}
//对TreeBin对象进行处理 与上面的过程类似
else if (f instanceof TreeBin) {
TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
//构造正序和反序两个链表
for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
int h = e.hash;
TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
(h, e.key, e.val, null, null);
if ((h & n) == 0) {
if ((p.prev = loTail) == null)
lo = p;
else
loTail.next = p;
loTail = p;
++lc;
}
else {
if ((p.prev = hiTail) == null)
hi = p;
else
hiTail.next = p;
hiTail = p;
++hc;
}
}
//如果扩容后已经不再需要tree的结构 反向转换为链表结构
ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
(hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
(lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
//在nextTable的i位置上插入一个链表
setTabAt(nextTab, i, ln);
//在nextTable的i+n的位置上插入另一个链表
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
//在table的i位置上插入forwardNode节点 表示已经处理过该节点
setTabAt(tab, i, fwd);
//设置advance为true 返回到上面的while循环中 就可以执行i--操作
advance = true;
}
}
}
}
}
}
Put方法
前面的所有的介绍其实都为这个方法做铺垫。ConcurrentHashMap最常用的就是put和get两个方法。现在来介绍put方法，这个put方法依然沿用HashMap的put方法的思想，根据hash值计算这个新插入的点在table中的位置i，如果i位置是空的，直接放进去，否则进行判断，如果i位置是树节点，按照树的方式插入新的节点，否则把i插入到链表的末尾。ConcurrentHashMap中依然沿用这个思想，有一个最重要的不同点就是ConcurrentHashMap不允许key或value为null值。另外由于涉及到多线程，put方法就要复杂一点。在多线程中可能有以下两个情况
如果一个或多个线程正在对ConcurrentHashMap进行扩容操作，当前线程也要进入扩容的操作中。这个扩容的操作之所以能被检测到，是因为transfer方法中在空结点上插入forward节点，如果检测到需要插入的位置被forward节点占有，就帮助进行扩容；
如果检测到要插入的节点是非空且不是forward节点，就对这个节点加锁，这样就保证了线程安全。尽管这个有一些影响效率，但是还是会比hashTable的synchronized要好得多。
整体流程就是首先定义不允许key或value为null的情况放入 对于每一个放入的值，首先利用spread方法对key的hashcode进行一次hash计算，由此来确定这个值在table中的位置。
如果这个位置是空的，那么直接放入，而且不需要加锁操作。
如果这个位置存在结点，说明发生了hash碰撞，首先判断这个节点的类型。如果是链表节点（fh>0）,则得到的结点就是hash值相同的节点组成的链表的头节点。需要依次向后遍历确定这个新加入的值所在位置。如果遇到hash值与key值都与新加入节点是一致的情况，则只需要更新value值即可。否则依次向后遍历，直到链表尾插入这个结点。如果加入这个节点以后链表长度大于8，就把这个链表转换成红黑树。如果这个节点的类型已经是树节点的话，直接调用树节点的插入方法进行插入新的值。
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
//不允许 key或value为null
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
//计算hash值
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
//死循环 何时插入成功 何时跳出
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
//如果table为空的话，初始化table
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
//根据hash值计算出在table里面的位置
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//如果这个位置没有值 ，直接放进去，不需要加锁
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
//当遇到表连接点时，需要进行整合表的操作
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
//结点上锁 这里的结点可以理解为hash值相同组成的链表的头结点
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
//fh〉0 说明这个节点是一个链表的节点 不是树的节点
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
//在这里遍历链表所有的结点
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//如果hash值和key值相同 则修改对应结点的value值
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;
//如果遍历到了最后一个结点，那么就证明新的节点需要插入 就把它插入在链表尾部
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
//如果这个节点是树节点，就按照树的方式插入值
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;
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
//如果链表长度已经达到临界值8 就需要把链表转换为树结构
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
//将当前ConcurrentHashMap的元素数量+1
addCount(1L, binCount);
return null;
}
treeifyBin方法
这个方法用于将过长的链表转换为TreeBin对象。但是他并不是直接转换，而是进行一次容量判断，如果容量没有达到转换的要求，直接进行扩容操作并返回；如果满足条件才链表的结构抓换为TreeBin ，这与HashMap不同的是，它并没有把TreeNode直接放入红黑树，而是利用了TreeBin这个小容器来封装所有的TreeNode.
helpTransfer方法
这是一个协助扩容的方法。这个方法被调用的时候，当前ConcurrentHashMap一定已经有了nextTable对象，首先拿到这个nextTable对象，调用transfer方法。回看上面的transfer方法可以看到，当本线程进入扩容方法的时候会直接进入复制阶段
get方法
get方法比较简单，给定一个key来确定value的时候，必须满足两个条件 key相同 hash值相同，对于节点可能在链表或树上的情况，需要分别去查找。
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
//计算hash值
int h = spread(key.hashCode());
//根据hash值确定节点位置
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
//如果搜索到的节点key与传入的key相同且不为null,直接返回这个节点
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
//如果eh<0 说明这个节点在树上 直接寻找
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
//否则遍历链表 找到对应的值并返回
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
总结
[一个大的数组]，数组里每个元素进行put操作，都是有一个不同的锁，刚开始进行put的时候，如果两个线程都是在数组[5]这个位置进行put，这个时候，对数组[5]这个位置进行put的时候，采取的是CAS的策略
同一个时间，只有一个线程能成功执行这个CAS，就是说他刚开始先获取一下数组[5]这个位置的值，null，然后执行CAS，线程1，比较一下，put进去我的这条数据，同时间，其他的线程执行CAS，都会失败
分段加锁，通过对数组每个元素执行CAS的策略，如果是很多线程对数组里不同的元素执行put，大家是没有关系的，如果其他人失败了，其他人此时会发现说，数组[5]这位置，已经给刚才又人放进去值了
就需要在这个位置基于链表+红黑树来进行处理，synchronized(数组[5])，加锁，基于链表或者是红黑树在这个位置插进去自己的数据
如果你是对数组里同一个位置的元素进行操作，才会加锁串行化处理；如果是对数组不同位置的元素操作，此时大家可以并发执行的
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