HashMap及其并发的一些理解
HashMap
在jdk1.8之前，HashMap通过数组加链表的方式实现。在1.8之后，在链表长度大于8之后，会将链表转化为红黑树进行存储。
基本元素
Node和Entry
Entry表示链表的每一个节点的元素，就是key和value的包装对象。Map是一个接口，实现类为Node
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;
Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
public final K getKey() { return key; }
public final V getValue() { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }
public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}
public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}
public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}
作为一个Map存储的基本单元，需要有下面几个成员变量和方法
- hash： 表示当前node对应的hash值
- key： map中put对应的key值
- value： map中put对应的value值
- next： 表示链表的下一个节点
- equals： 比较两个node是否相等
TreeNode
在jdk1.8之后，当链表长度大于8个时，将会转化红黑树，以用来提供查找效率。当链表长度到达一定长度时，查找的时间复杂度为O(n),在已红黑树进行查询时，时间复杂度会缩减为O(lgn)
static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.LinkedHashMapEntry<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
}
一个红黑树的Node，需要有一下几个成员变量
- parent: 父节点
- left： 左子节点
- right：右子节点
- prev： 上一个节点
- red： 是否是红节点
还会提供几个相关的方法：
- root(): 获取当前红黑树的根节点
- moveRootToFront(): 保证红黑树节点是链表的第一个元素
- find：从指定节点找到node
- getTreeNode：从root节点找到对应的node
- treeify：将链表转化为红黑树
- untreeify：将红黑树转化为链表
- putTreeVal：插入一个红黑树节点
- removeTreeNode：移除一个红黑树节点
操作
put
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
//创建resize里面会创建新的table，或进行扩容
n = (tab = resize()).length;
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
//如果计算出来的pos并没有node节点，那么直接创建新的节点，并且进行存储
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
//计算出来pos有元素存在
Node<K,V> e; K k;
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//当前的node是需要需要替换的node
//直接替换
e = p;
else if (p instanceof TreeNode)
//当前是以树结构进行存储，通过树的put方法进行插入
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//当前是链表，需要添加新node
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
//在最后一个节点处，创建新节点
p.next = newNode(hash, key, value, null);
//如果当前是size大于等于7了，也就是添加元素之后size至少是8了，
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
//将链表转化为输结构存储
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
...
p = e;
}
}
....
}
++modCount;
if (++size > threshold)
//如果当前的大小大于阈值，那么需要扩容
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
HashMap的put方法主要以下几个步骤：
- 如果当前table为空，那么初始化table
- 查找通过key的hash值来计算当前的table的pos，如果pos对应的node为空，那么直接插入
- 如果不为空，而且hash值一样和key一样，那么直接替换
- 如果不为空，hash值不一致，而且获取出来的节点是树节点，那么通过树的putTreeVal方法进行插入，内部会维持红黑树的平衡。
- 如果不为空，hash值不一致，且非树节点，那么当前还是以链表的形式存储，需要将元素添加到链表后面，添加完成之后，如果链表元素大于阈值，需要进行扩容。
下面我们来看看hashMap的扩容方法resize
final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
...
//进行扩容，新size为oldsize的2倍
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
//创建新的table
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
//如果旧表有值，需要将旧表的值添加新表
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
//通过树进行赋值
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // preserve order
//重新计算hash，链表节点赋值
...
}
}
}
}
return newTab;
}
get
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
//table对应pos的节点存在
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
//key相等，hash值也相等，直接返回
return first;
if ((e = first.next) != null) {
//如果当前是以树结构进行存储，那么通过树去寻找节点，并返回
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
//当前仍是以链表形式存储，遍历查找并且返回
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
其实get操作相对put还是比较简单的，
-
首先通过hash计算出在table的位置，并取值
-
如果当前的node已经是匹配hash和key的，那么直接返回
-
如果当前不匹配，
当前node是以链表进行存储的：遍历比较取值并返回
当前node是以树的形式进行存储的：通过红黑树的getTreeNode进行取值并返回
hashMap在多线程中的缺陷
hashMap并没有对多线程做一些额外的处理，这就导致了在多线程中直接使用hashMap可能出现异常情况。
- 在put操作中，如果并发进行元素的添加，可能出现某个元素添加失败的情况
if ((e = p.next) == null) {
//第一个线程进入这个判断，切换到到第二个线程，并且执行完p.next的设置，再切换到第一个线程执行p.next的设置，会导致第二个线程的设置失效
p.next = newNode(hash, key, value, null);
}
- 在put中，如果正在进行扩容，会导致链表循环引用的出现
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
//在第一个线程执行到这个语句时，切换到第二个线程
loTail.next = e;
loTail = e;
}
最后会出现e.next = e的循环引用的出现。所以，在多线程的情况下，我们需要利用ConcurrentHashMap。
HashTable
对于HashTable，通过给synchronized修饰解决HashMap的并发问题，这样效率十分低下，在同一个时刻，仅能有一个线程访问HashTable的各个方法，因为每个线程都需要竞争同一把锁。
ConcurrentHashMap
基本元素
TreeBin
底层结构是以树结构来进行存储的
TreeBin表示红黑树的root节点：
static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {
TreeNode<K,V> root;
volatile TreeNode<K,V> first;
volatile Thread waiter;
volatile int lockState;
// values for lockState
static final int WRITER = 1; // set while holding write lock
static final int WAITER = 2; // set when waiting for write lock
static final int READER = 4;
}
ForwardingNode
这个是一个在扩容时会创建的节点，主要用于占位，当其他线程发现某个位置的节点fwd类型的节点，那么会跳过这个节点。
CAS操作
CAS操作是可以保证线程间同步的操作，比较并设置。不需要锁来实现，通过设置一个期待的原值，和需要修改的值，只有原值和当前期待的值成功，才会进行修改。
map中提供了三个关于node的CAS操作。
//获取table指定位置的元素
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);
}
//判断当前元素是否存在
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);
}
//设置table的某个元素
static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {
U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}
ConcurrentHashMap
在jdk1.7里面及以前采用了锁分段技术，对于每几个Entry，都将对应到一个Segment上，在put的时候，仅仅对segment进行加锁，多线程访问不同数据段的数据，就不会出现锁竞争的情况。
jdk1.8实现
在jdk1.8里面通过Unsafe类来实现。这个类并未开源
原子访问是sun.misc.Unsafe被广泛应用的特性之一，特性包括简单的“put”和“get”操作（带有 volatile 语义或不带有 volatile 语义）以及比较并交换（compare and swap，CAS）操作
put方法
put方法的流程大概有下面几步
- 判空值
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
//如果此时需要插入的key和value为null，那么直接抛异常，说明concurrentHashMap不支持空key和空value
- 计算hash
int hash = spread(key.hashCode());
通过hashCode值才能知道当前需要存入的哪个buket中。
- 遍历table
- 如果当前table为null，那么需要new除新的table
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
initTable的代码如下
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
//通过Unsafe这个类来进行原子操作，如果size仍然为0，那么进行创建
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//设置默认size，默认为16
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
//创建size为16的数组
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
//计算ctrl参数为16 - 4 = 12
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
首先会通过Unsafe来进行判断是否需要创建table，如果需要，那么直接创建table，默认的初始化table大小为16，同时会设置大小控制参数，初始的sizeCtl为12
- 如果当前的table不为空，那么查找当前hash值对应的table位置上是否有值，如果有值，直接通过cas设置值
//如果table表指定的位置没有值，
if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//已cas操作的形式直接插入
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
- 如果table当前pos已经存储了其他的Node，且当前的hash值是-1，表明当前table正在扩容，则通过多线程帮助其扩容
if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
MOVED是内部定义的常量，值为-1，如果计算出的hash值为MOVE，表明当前正在扩容。这个扩容的内容后续会讲解
- 当前table的pos位置有值，且没有到达扩容阈值，需要直接进行覆盖
else {
V oldVal = null;
//对需当前需要替换的节点加锁
synchronized (f) {
//再次判断需要替换的节点已经被替换
if (tabAt(tab, i) == f) {
//fh是前面计算出来的f节点的hash值，大于等于0表示当前是已链表的形式进行存储
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//判断当前的hash值是否相等，key是否相等
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) { //相等，那么找到了需要替换的value
oldVal = e.val;
//如果不是不才替换，那么直接替换,并结束循环
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
//加入没有找到需要替换的节点，那么在节点最后创建新的节点
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value,null);
break;
}
}
}
//如果当前是已红黑树进行存储
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
binCount = 2;
//已树的形式寻找节点
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
if (binCount != 0) {
//如果当前节点数大于8，那么建立为树节点
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
在转化为红黑树之前，在table大小小于64时，会对table进行扩容。否则直接创建红黑树。
if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
synchronized (b) {
if (tabAt(tab, index) == b) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
//创建节点
TreeNode<K,V> p =
new TreeNode<K,V>(e.hash, e.key, e.val,
null, null);
if ((p.prev = tl) == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
//同时设置头节点，也就是TreeBin
setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
}
}
}
和hashMap相比，其实就是一些同步相关的操作
- 通过cas操作初始化table
- 通过CAS操作查找node是否存在
- 通过CAS操作设置node
- 通过多线程并发进行扩容
get操作
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
//两次hash计算hash计算hash值
int h = spread(key.hashCode());
//通过CAS操作获取头节点
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
//判断是否节点是否符合
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0)
//hash小于0，表示当前以树的形式做存储
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
get操作也比较简单，先通过cas操作判断node是否存在，其他的操作和普通的hashmap一致。
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