從原始碼的角度深入地分析了 ConcurrentHashMap 這個執行緒安全的 HashMap，希望能夠給你一些幫助。
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本文 GitHub github.com/itwanger 已收錄，裡面還有我精心為你準備的一線大廠面試題。
HashMap 是 Java 中非常強大的資料結構，使用頻率非常高，幾乎所有的應用程式都會用到它。但 HashMap 不是執行緒安全的，不能在多執行緒環境下使用，該怎麼辦呢？
1）Hashtable，一個老掉牙的同步雜湊表，t 竟然還是小寫的，一看就非常不專業：
public class Hashtable<K,V>
extends Dictionary<K,V>
implements Map<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable {
public synchronized V put(K key, V value) {}
public synchronized int size() {}
public synchronized V get(Object key) {}
}
裡面的方法全部是 synchronized，同步的力度非常大，對不對？這樣的話，效能就沒法保證了。pass。
2）Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, String>())，可以把一個 HashMap 包裝成同步的 SynchronizedMap：
private static class SynchronizedMap<K,V>
implements Map<K,V>, Serializable {
public int size() {
synchronized (mutex) {return m.size();}
}
public V get(Object key) {
synchronized (mutex) {return m.get(key);}
}
public V put(K key, V value) {
synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
}
}
可以看得出，SynchronizedMap 確實比 Hashtable 改進了，synchronized 不再放在方法上，而是放在方法內部，作為同步塊出現，但仍然是物件級別的同步鎖，讀和寫操作都需要獲取鎖，本質上，仍然只允許一個執行緒訪問，其他執行緒被排斥在外。
3）ConcurrentHashMap，本篇的主角，唯一正確的答案。Concurrent 這個單詞就是併發、並行的意思，所以 ConcurrentHashMap 就是一個可以在多執行緒環境下使用的 HashMap。
ConcurrentHashMap 一直在進化，Java 7 和 Java 8 就有很大的不同。Java 7 版本的 ConcurrentHashMap 是基於分段鎖的，就是將內部分成不同的 Segment（段），每個段裡面是 HashEntry 陣列。
來看一下 Segment：
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
transient int count;
transient int modCount;
transient int threshold;
final float loadFactor;
}
再來看一下 HashEntry：
static final class HashEntry<K,V> {
final K key; // 宣告 key 為 final 型
final int hash; // 宣告 hash 值為 final 型
volatile V value; // 宣告 value 為 volatile 型
final HashEntry<K,V> next; // 宣告 next 為 final 型
HashEntry(K key, int hash, HashEntry<K,V> next, V value) {
this.key = key;
this.hash = hash;
this.next = next;
this.value = value;
}
}
和 HashMap 非常相似，唯一的區別就是 value 是 volatile 的，保證 get 時候的可見性。
Segment 繼承自 ReentrantLock，所以不會像 Hashtable 那樣不管是 put 還是 get 都需要 synchronized，鎖的力度變小了，每個執行緒只鎖一個 Segment，對其他執行緒訪問的 Segment 沒有影響。
Java 8 和之後的版本在此基礎上做了很大的改進，不再採用分段鎖的機制了，而是利用 CAS（Compare and Swap，即比較並替換，實現併發演算法時常用到的一種技術）和 synchronized 來保證併發，雖然內部仍然定義了 Segment，但僅僅是為了保證序列化時的相容性，程式碼註釋上就可以看得出來：
/**
* Stripped-down version of helper class used in previous version,
* declared for the sake of serialization compatibility.
*/
static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
final float loadFactor;
Segment(float lf) { this.loadFactor = lf; }
}
底層結構和 Java 7 也有所不同，更接近 HashMap（陣列+雙向連結串列+紅黑樹）：
來看一下新版 ConcurrentHashMap 定義的關鍵欄位：
public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
transient volatile Node<K,V>[] table;
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
private transient volatile int sizeCtl;
}
1）table，預設為 null，第一次 put 的時候初始化，預設大小為 16，用來儲存 Node 節點，擴容時大小總是 2 的冪次方。
順帶看一下 Node 的定義：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V val;
volatile Node<K,V> next;
// …
}
hash 和 key 是 final 的，和 HashMap 的 Node 一樣，因為 key 是不會發生變化的。val 和 next 是 volatile 的，保證多執行緒環境下的可見性。
2）nextTable，預設為 null，擴容時新生成的陣列，大小為原陣列的兩倍。
3）sizeCtl，預設為 0，用來控制 table 的初始化和擴容操作。-1 表示 table 正在初始化；-(1+執行緒數) 表示正在被多個執行緒擴容。
Map 最重要的方法就是 put，ConcurrentHashMap 也不例外：
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();
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)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
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)
tab = helpTransfer(tab, f);
...省略部分程式碼
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
1）spread() 是一個雜湊演算法，和 HashMap 的 hash() 方法類似：
static final int spread(int h) {
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
2）如果是第一次 put 的話，會呼叫 initTable() 對 table 進行初始化。
private final ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] initTable() {
ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] nt = (ConcurrentHashMap.Node<K,V>[])new ConcurrentHashMap.Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
外層用了一個 while 迴圈，如果發現 sizeCtl 小於 0 的話，就意味著其他執行緒正在初始化，yield 讓出 CPU。
第一次 put 的時候會執行 U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)，把 sizeCtl 賦值為 -1，表示當前執行緒正在初始化。
private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
private static final long SIZECTL
= U.objectFieldOffset(ConcurrentHashMap.class, "sizeCtl");
U 是一個 Unsafe（可以提供硬體級別的原子操作，可以獲取某個屬性在記憶體中的位置，也可以修改物件的欄位值）物件，compareAndSetInt() 是 Unsafe 的一個本地（native）方法，它就負責把 ConcurrentHashMap 的 sizeCtl 修改為指定的值（-1）。
初始化後的 table 大小為 16（DEFAULT_CAPACITY）。
不是第一次 put 的話，會呼叫 tabAt() 取出 key 位置（(n - 1) & hash）上的值（f）：
static final <K,V> ConcurrentHashMap.Node<K,V> tabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i) {
return (ConcurrentHashMap.Node<K,V>)U.getReferenceAcquire(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
U.getReferenceAcquire() 會呼叫 Unsafe 的 本地方法 getReferenceVolatile() 獲取指定記憶體中的資料，保證每次拿到的資料都是最新的。
如果 f 為 null，說明 table 中這個位置上是第一次 put 元素，呼叫 casTabAt() 插入 Node。
static final <K,V> boolean casTabAt(ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab, int i,
ConcurrentHashMap.Node<K,V> c, ConcurrentHashMap.Node<K,V> v) {
return U.compareAndSetReference(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
如果 CAS 成功，說明 Node 插入成功，執行 addCount() 方法檢查是否需要擴容。
如果失敗，說明有其他執行緒提前插入了 Node，進行下一輪 for 迴圈繼續嘗試，俗稱自旋。
如果 f 的 hash 為 MOVED（-1），意味著有其他執行緒正在擴容，執行 helpTransfer() 一起擴容。
否則，把 Node 按連結串列或者紅黑樹的方式插入到合適的位置，這個過程是通過 synchronized 塊實現的。
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
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)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
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;
}
}
}
}
1）插入之前，再次呼叫 tabAt(tab, i) == f 來判斷 f 是否被其他執行緒修改。
2）如果 fh（f 的雜湊值） >= 0，說明 f 是連結串列的頭節點，遍歷連結串列，找到對應的 Node，更新值，否則插入到末尾。
3）如果 f 是紅黑樹，則按照紅黑樹的方式插入或者更新節點。
分析完 put() 方法後，再來看 get() 方法：
public V get(Object key) {
ConcurrentHashMap.Node<K,V>[] tab; ConcurrentHashMap.Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
int h = spread(key.hashCode());
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0)
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;
}
是不是簡單很多？
1）如果雜湊值相等（(eh = e.hash) == h），直接返回 table 陣列中的元素。
2）如果是紅黑樹（eh < 0），按照紅黑樹的方式 find 返回。
3）如果是連結串列，進行遍歷，然後根據 key 獲取 value。
最後，來寫一個 ConcurrentHashMap 的應用例項吧！
/**
* @author 沉默王二，一枚有趣的程式設計師
*/
public class ConcurrentHashMapDemo {
public final static int THREAD_POOL_SIZE = 5;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Map<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
long startTime = System.nanoTime();
ExecutorService crunchifyExServer = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_POOL_SIZE);
for (int j = 0; j < THREAD_POOL_SIZE; j++) {
crunchifyExServer.execute(new Runnable() {
@SuppressWarnings("unused")
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 500000; i++) {
map.put("itwanger"+i, "沉默王二");
}
}
});
}
crunchifyExServer.shutdown();
crunchifyExServer.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.DAYS);
long entTime = System.nanoTime();
long totalTime = (entTime - startTime) / 1000000L;
System.out.println(totalTime + "ms");
}
}
給同學們留一道作業題，感興趣的話可以嘗試下，把 ConcurrentHashMap 換成 SynchronizedMap，比較一下兩者效能上的差異，差距還是挺明顯的。
我是沉默王二，一枚在九朝古都洛陽苟且偷生的程式設計師。關注即可提升學習效率，感謝你的三連支援，奧利給?。
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