ConcurrentHashMap 怎麼聊出花來？

輝先森談程式設計發表於2020-10-02

HashMap

前言

之前，我們已經在HashMap上面暴打了面試官，沒看過的讀者可以看看哦HashMap 怎麼聊出花來?。今天！，輝先森帶讀者一起解讀ConcurrentHashMap!

一、為什麼有CurrentHashMap？

通過前章的學習哦，我們有了解到，HashMap做的優化以及其遺留的執行緒安全的問題。

那為什麼要多執行緒呢？

1. 更好的利用處理器

在多核場景下，使用多執行緒技術，將計算邏輯分配搭配多個處理器核心，就會顯著減少程式的處理時間，並且隨核數的加入而變得更加的有效率。

2. 更快的相應時間

在多執行緒下，可將資料一致性不強的操作派給其他執行緒處理。好處：相應使用者請求執行緒能更快的處理完成，縮短響應時間，提高使用者體驗。

二、解決HashMap執行緒不安全

1.HashTable

hashtable對 get/put所有相關的操作都加上synchronized標誌。雖然實現了執行緒安全，但是代價太大了。相當於對整個雜湊表加了一把大鎖，這樣在競爭激烈的併發場景效能太差了。（不推薦考慮）

2.ConcurrentHashMap

使用Segment分段鎖技術，將資料分成一段一段的儲存，然後給每一段資料配一把鎖，當一個執行緒佔用鎖訪問其中一段資料時，不阻塞訪問其他段的資料，可以看成是有多個hashtable。好處：使用Segment分段鎖技術減少了鎖的粒度提高了併發的能力。
JDK1.8升級：在JDK1.8的HashMap的基礎上套一個安全措施。採用CAS+Synchronize來保障執行緒的安全，使得效能進一步的提高。

我們來看看put（）與get（）的流程吧。

put()的流程

1. 如果沒有初始化就先去呼叫initTable()方法進行初始化的過程。

2. 如果有其他執行緒在擴容，就將當前執行緒加入到擴容任務中，幫助正在擴容的執行緒移動資料，提高效率。

3. 無hash衝突就進行CAS插入。

4. 有hash衝突，就呼叫Synchronize標記鎖住當前的位桶，然後在進行插入-->(Entry過8就變紅黑樹)。

5. 在檢查是否需要擴容。


/**put方法主要是呼叫putVal方法*/
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) {
	//資料不合法，丟擲異常
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    //計算索引的第一步，傳入鍵值的hash值
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0; //儲存當前節點的長度
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable(); //初始化Hash表
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            //利用CAS操作將元素插入到Hash表中
            if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
                break;  // no lock when adding to empty bin(插入null的節點，無需加鎖)
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED) //f.hash == -1 
            //正在擴容，當前執行緒加入擴容
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else if (onlyIfAbsent && fh == hash &&  // check first node
                 ((fk = f.key) == key || fk != null && key.equals(fk)) &&
                 (fv = f.val) != null)
            return fv;
        else {
            V oldVal = null;
            //當前節點加鎖
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            //插入的元素鍵值的hash值有節點中元素的hash值相同，替換當前元素的值
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    //替換當前元素的值
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            //沒有相同的值，直接插入到節點中
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    //節點為樹
                    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)
                                //替換舊值
                                p.val = value;
                        }
                    }
                    else if (f instanceof ReservationNode)
                        throw new IllegalStateException("Recursive update");
                }
            }
            if (binCount != 0) {
                //如果節點長度大於8,轉化為樹
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal; 
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

get（）的流程

1. 通過鍵值的hash計算索引位置，如果滿足條件，直接返回對應的值；

2. 如果相應節點的hash值小於0 ，即該節點在進行擴容，直接在呼叫ForwardingNodes節點的find方法進行查詢。

3. 否則不在擴容的話，遍歷當前節點直到找到對應的元素。

ConcurrentHashMap的get方法就是從Hash表中讀取資料，而且與擴容不衝突。該方法沒有同步鎖。

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode());
    //滿足條件直接返回對應的值
    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;
        }
        //e.hash<0，正在擴容
        else if (eh < 0)
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        //遍歷當前節點
        while ((e = e.next) != null) {
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

三、當被問到怎麼設計一個雜湊表，我們應該考慮哪些。

先把HashMap的原理一股腦砸給他。因為java1.8的HashMap設計是真的精妙，種種的優化都可以砸。
接著引申到執行緒安全的問題，把ConcurrentHashMap的原理丟給他。
殺手鐗，解決高併發的問題。通過上面分析ConcurrentHashMap的原理，我們可以發現,put（）操作是帶鎖的而get（）操作是不需要帶鎖的，我們可以在這裡搞搞事情。我們可以在ConcurrentHashMap的基礎上在加一個位桶陣列去解決高併發的問題，我們看看怎麼操作吧。

1. 假如當前的一號位桶陣列需要擴容了，一般我們是重新建立一個2倍長度的陣列地址去擴容，當此時是不能進行put（）操作的。現在我們改變策略，將二號位桶陣列進行長度的增加。

2. 接下來如果遇到put（）操作，就先去一號位桶陣列查詢是否存在相同的Entry和二號位桶陣列查詢是否存在相同的Entry。如果都沒有就將這個要插入進來的節點放在二號位桶陣列裡面，在一號位桶陣列查到，就移動節點到二號陣列裡面。

3. 如果是遇到get（）操作，先去一號陣列裡面查詢時候是否存在該節點。如果有該節點，就將這節點從一號位桶陣列移到二號位桶陣列，然後返回該節點；如果在一號位桶陣列找不到，就去二號位桶陣列找找看有沒有，沒有就沒有了，有就有。

4. 我們可以運用Mysql資料庫在設計redo log的思想，當空閒的時候將一號位桶陣列的資料搬去二號位桶資料裡面。

5. 當一號位桶陣列為空時，我們在進行長度*2的擴張。