ConcurrenHashMap 。下面分享一下我對ConcurrentHashMap 的理解，主要用於個人備忘。如果有不對，請批評。
HashMap“嚴重”的勾起了我對HashMap家族的好奇心，下面分享一下我對ConcurrentHashMap 的理解，主要用於個人備忘。如果有不對，請批評。
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總起
HashMap是我們平時開發過程中用的比較多的集合，但它是非執行緒安全的，在涉及到多執行緒併發的情況，進行get操作有可能會引起死迴圈，導致CPU利用率接近100%。
因此需要支援執行緒安全的併發容器 ConcurrentHashMap 。
資料結構
重要成員變數
/**
* The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.
* Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.
*/
transient volatile Node<K,V>[] table;
複製程式碼table代表整個雜湊表。 預設為null，初始化發生在第一次插入操作，預設大小為16的陣列，用來儲存Node節點資料，擴容時大小總是2的冪次方。
/**
* The next table to use; non-null only while resizing.
*/
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
複製程式碼nextTable是一個連線表，用於雜湊表擴容，預設為null，擴容時新生成的陣列，其大小為原陣列的兩倍。
/**
* Base counter value, used mainly when there is no contention,
* but also as a fallback during table initialization
* races. Updated via CAS.
*/
private transient volatile long baseCount;
複製程式碼baseCount儲存著整個雜湊表中儲存的所有的結點的個數總和，有點類似於 HashMap 的 size 屬性。 這個數通過CAS演算法更新
/**
* Table initialization and resizing control. When negative, the
* table is being initialized or resized: -1 for initialization,
* else -(1 + the number of active resizing threads). Otherwise,
* when table is null, holds the initial table size to use upon
* creation, or 0 for default. After initialization, holds the
* next element count value upon which to resize the table.
*/
private transient volatile int sizeCtl;
複製程式碼初始化雜湊表和擴容 rehash 的過程，都需要依賴sizeCtl。該屬性有以下幾種取值：
- 0：預設值
- -1：代表雜湊表正在進行初始化
- 大於0：相當於 HashMap 中的 threshold，表示閾值
- 小於-1：代表有多個執行緒正在進行擴容。（譬如：-N 表示有N-1個執行緒正在進行擴容操作 ）
構造方法
public ConcurrentHashMap() {
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));//MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30
this.sizeCtl = cap;//ConcurrentHashMap在建構函式中只會初始化sizeCtl值，並不會直接初始化table，而是延緩到第一次put操作。
}
public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;//DEFAULT_CAPACITY = 16
putAll(m);
}
複製程式碼構造方法是三個。重點是第二個，帶參的構造方法。這個帶參的構造方法會呼叫tableSizeFor()方法，確保table的大小總是2的冪次方（假設引數為100，最終會調整成256）。演算法如下：
/**
* Returns a power of two table size for the given desired capacity.
* See Hackers Delight, sec 3.2
*/
private static final int tableSizeFor(int c) {
int n = c - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
複製程式碼PUT()方法
put()呼叫putVal()方法，讓我們看看：
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
//對傳入的引數進行合法性判斷
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());//計算鍵所對應的 hash 值
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
//如果雜湊表還未初始化，那麼初始化它
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
//根據hash值計算出在table裡面的位置
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//如果這個位置沒有值 ，那麼以CAS無鎖式向該位置新增一個節點
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
//檢測到桶結點是 ForwardingNode 型別，協助擴容（MOVED = -1; // hash for forwarding nodes）
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
//桶結點是普通的結點，鎖住該桶頭結點並試圖在該連結串列的尾部新增一個節點
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
//向普通的連結串列中新增元素
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
//遍歷連結串列所有的結點
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//如果hash值和key值相同，則修改對應結點的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;
//如果遍歷到了最後一個結點，那麼就證明新的節點需要插入連結串列尾部
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
//如果這個節點是樹節點，就按照樹的方式插入值
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) {
//如果連結串列長度已經達到臨界值8，就需要把連結串列轉換為樹結構（TREEIFY_THRESHOLD = 8）
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
//CAS 式更新baseCount，並判斷是否需要擴容
addCount(1L, binCount);
return null;
}
複製程式碼其實putVal()也多多少少掉用了其他方法，讓我們繼續探究一下。
CAS（compare and swap）
科普compare and swap，解決多執行緒並行情況下使用鎖造成效能損耗的一種機制，CAS操作包含三個運算元——記憶體位置（V）、預期原值（A）和新值(B)。如果記憶體位置的值與預期原值相匹配，那麼處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在CAS指令之前返回該位置的值。CAS有效地說明了“我認為位置V應該包含值A；如果包含該值，則將B放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現在的值即可。
spread
首先，第四行出現的int hash = spread(key.hashCode());這是傳統的計算hash的方法。key的hash值高16位不變，低16位與高16位異或作為key的最終hash值。（h >>> 16，表示無符號右移16位，高位補0，任何數跟0異或都是其本身，因此key的hash值高16位不變。）
static final int spread(int h) {
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
複製程式碼initTable
第十行， tab = initTable();這個方法的亮點是，可以讓put併發執行，實現table只初始化一次 。
initTable()核心思想就是，只允許一個執行緒對錶進行初始化，如果有其他執行緒進來了，那麼會讓其他執行緒交出 CPU 等待下次系統排程。這樣，保證了表同時只會被一個執行緒初始化。
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
//如果表為空才進行初始化操作
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//如果一個執行緒發現sizeCtl<0，意味著另外的執行緒執行CAS操作成功，當前執行緒只需要讓出cpu時間片（放棄 CPU 的使用）
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
//否則說明還未有執行緒對錶進行初始化，那麼本執行緒就來做這個工作
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//sc 大於零說明容量已經初始化了，否則使用預設容量
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
//計算閾值，等效於 n*0.75
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
//設定閾值
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
複製程式碼接下來，第19行。 tab = helpTransfer(tab, f);這句話。要了解這個，首先需要知道ForwardingNode 這個節點型別。它一個用於連線兩個table的節點類。它包含一個nextTable指標，用於指向下一張hash表。而且這個節點的key、value、next指標全部為null，它的hash值為MOVED（static final int MOVED = -1）。
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
final Node<K,V>[] nextTable;
ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
super(MOVED, null, null, null);
this.nextTable = tab;
}
//find的方法是從nextTable裡進行查詢節點，而不是以自身為頭節點進行查詢
Node<K,V> find(int h, Object k) {
// loop to avoid arbitrarily deep recursion on forwarding nodes
outer: for (Node<K,V>[] tab = nextTable;;) {
Node<K,V> e; int n;
if (k == null || tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) == null)
return null;
for (;;) {
int eh; K ek;
if ((eh = e.hash) == h &&
((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
return e;
if (eh < 0) {
if (e instanceof ForwardingNode) {
tab = ((ForwardingNode<K,V>)e).nextTable;
continue outer;
}
else
return e.find(h, k);
}
if ((e = e.next) == null)
return null;
}
}
}
}
複製程式碼helpTransfer
在擴容操作中，我們需要對每個桶中的結點進行分離和轉移。如果某個桶結點中所有節點都已經遷移完成了（已經被轉移到新表 nextTable 中了），那麼會在原 table 表的該位置掛上一個 ForwardingNode 結點，說明此桶已經完成遷移。
helpTransfer什麼作用呢？是檢測到當前雜湊表正在擴容，然後讓當前執行緒去協助擴容 ！
final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
Node<K,V>[] nextTab; int sc;
if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
(nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {//新的table，nextTab已經存在前提下才能幫助擴容
int rs = resizeStamp(tab.length);//返回一個 16 位長度的擴容校驗標識
while (nextTab == nextTable && table == tab &&
(sc = sizeCtl) < 0) {//sizeCtl 如果處於擴容狀態的話
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
//前 16 位是資料校驗標識，後 16 位是當前正在擴容的執行緒總數
//這裡判斷校驗標識是否相等，如果校驗符不等或者擴容操作已經完成了，直接退出迴圈，不用協助它們擴容了
break;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {//sc + 1 標識增加了一個執行緒進行擴容
transfer(tab, nextTab);//呼叫擴容方法
break;
}
}
return nextTab;
}
return table;
}
複製程式碼helpTransfer精髓的是可以呼叫多個工作執行緒一起幫助進行擴容，這樣的效率就會更高，而不是隻有檢查到要擴容的那個執行緒進行擴容操作，其他執行緒就要等待擴容操作完成才能工作。
transfer
既然這裡涉及到擴容的操作，我們也一起來看看擴容方法transfer（） ：
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
//計算單個執行緒允許處理的最少table桶首節點個數，不能小於 16
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
//剛開始擴容，初始化 nextTab
if (nextTab == null) { // initiating
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
//transferIndex 指向最後一個桶，方便從後向前遍歷
transferIndex = n;
}
int nextn = nextTab.length;
//定義 ForwardingNode 用於標記遷移完成的桶
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
//i 指向當前桶，bound 指向當前執行緒需要處理的桶結點的區間下限
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
//遍歷當前執行緒所分配到的桶結點
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
//transferIndex <= 0 說明已經沒有需要遷移的桶了
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
//更新 transferIndex
//為當前執行緒分配任務，處理的桶結點區間為（nextBound,nextIndex）
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
//當前執行緒所有任務完成
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
if (finishing) {
nextTable = 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;
i = n; // recheck before commit
}
}
//待遷移桶為空，那麼在此位置 CAS 新增 ForwardingNode 結點標識該桶已經被處理過了
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
//如果掃描到 ForwardingNode，說明此桶已經被處理過了，跳過即可
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // already processed
else {
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
//連結串列的遷移操作
if (fh >= 0) {
int runBit = fh & n;
Node<K,V> lastRun = f;
//整個 for 迴圈為了找到整個桶中最後連續的 fh & n 不變的結點
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);
}
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
//紅黑樹的複製演算法，
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;
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;
}
}
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;
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
}
}
}
}
}
複製程式碼至此，put方法講完了
參考資料~
感謝
結束
此片完了~
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