深入并发包 ConcurrentHashMap( 上 )

前言

以前写过介绍HashMap的文章,文中提到过HashMap在put的时候,插入的元素超过了容量(由负载因子决定)的范围就会触发扩容操作,就是rehash,这个会重新将原数组的内容重新hash到新的扩容数组中,在多线程的环境下,存在同时其他的元素也在进行put操作,如果hash值相同,可能出现同时在同一数组下用链表表示,造成闭环,导致在get时会出现死循环,所以HashMap是线程不安全的。

我们来了解另一个键值存储集合HashTable,它是线程安全的,它在所有涉及到多线程操作的都加上了synchronized关键字来锁住整个table,这就意味着所有的线程都在竞争一把锁,在多线程的环境下,它是安全的,但是无疑是效率低下的。

其实HashTable有很多的优化空间,锁住整个table这么粗暴的方法可以变相的柔和点,比如在多线程的环境下,对不同的数据集进行操作时其实根本就不需要去竞争一个锁,因为他们不同hash值,不会因为rehash造成线程不安全,所以互不影响,这就是锁分离技术,将锁的粒度降低,利用多个锁来控制多个小的table,这就是这篇文章的主角ConcurrentHashMap JDK1.7版本的核心思想。

ConcurrentHashMap

JDK1.7的实现

在JDK1.7版本中,ConcurrentHashMap的数据结构是由一个Segment数组和多个HashEntry组成,如下图所示:


Segment数组的意义就是将一个大的table分割成多个小的table来进行加锁,也就是上面的提到的锁分离技术,而每一个Segment元素存储的是HashEntry数组+链表,这个和HashMap的数据存储结构一样

初始化

ConcurrentHashMap的初始化是会通过位与运算来初始化Segment的大小,用ssize来表示,如下所示

int sshift = 0;
int ssize = 1;
while (ssize < concurrencyLevel) {
    ++sshift;
    ssize <<= 1;
}

如上所示,因为ssize用位于运算来计算(ssize <<=1),所以Segment的大小取值都是以2的N次方,无关concurrencyLevel的取值,当然concurrencyLevel最大只能用16位的二进制来表示,即65536,换句话说,Segment的大小最多65536个,没有指定concurrencyLevel元素初始化,Segment的大小ssize默认为16

每一个Segment元素下的HashEntry的初始化也是按照位于运算来计算,用cap来表示,如下所示

int cap = 1;
while (cap < c)
    cap <<= 1;

如上所示,HashEntry大小的计算也是2的N次方(cap <<=1), cap的初始值为1,所以HashEntry最小的容量为2

put操作

对于ConcurrentHashMap的数据插入,这里要进行两次Hash去定位数据的存储位置

static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {

从上Segment的继承体系可以看出,Segment实现了ReentrantLock,也就带有锁的功能,当执行put操作时,会进行第一次key的hash来定位Segment的位置,如果该Segment还没有初始化,即通过CAS操作进行赋值,然后进行第二次hash操作,找到相应的HashEntry的位置,这里会利用继承过来的锁的特性,在将数据插入指定的HashEntry位置时(链表的尾端),会通过继承ReentrantLock的tryLock()方法尝试去获取锁,如果获取成功就直接插入相应的位置,如果已经有线程获取该Segment的锁,那当前线程会以自旋的方式去继续的调用tryLock()方法去获取锁,超过指定次数就挂起,等待唤醒。

get操作

ConcurrentHashMap的get操作跟HashMap类似,只是ConcurrentHashMap第一次需要经过一次hash定位到Segment的位置,然后再hash定位到指定的HashEntry,遍历该HashEntry下的链表进行对比,成功就返回,不成功就返回null。

size操作

计算ConcurrentHashMap的元素大小是一个有趣的问题,因为他是并发操作的,就是在你计算size的时候,他还在并发的插入数据,可能会导致你计算出来的size和你实际的size有相差(在你return size的时候,插入了多个数据),要解决这个问题,JDK1.7版本用两种方案。

try {
    for (;;) {
        if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
            for (int j = 0; j < segments.length; ++j) ensureSegment(j).lock(); // force creation
        }
        sum = 0L;
        size = 0;
        overflow = false;
        for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
            Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
            if (seg != null) { sum += seg.modCount; int c = seg.count; if (c < 0 || (size += c) < 0)
               overflow = true;
            } }
        if (sum == last) break;
        last = sum; } }
finally {
    if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
        for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
            segmentAt(segments, j).unlock();
    }
}

  1. 第一种方案他会使用不加锁的模式去尝试多次计算ConcurrentHashMap的size,最多三次,比较前后两次计算的结果,结果一致就认为当前没有元素加入,计算的结果是准确的;
  2. 第二种方案是如果第一种方案不符合,他就会给每个Segment加上锁,然后计算ConcurrentHashMap的size返回。

JDK1.8的实现

JDK1.8的实现已经摒弃了Segment的概念,而是直接用Node数组+链表+红黑树的数据结构来实现,并发控制使用Synchronized和CAS来操作,整个看起来就像是优化过且线程安全的HashMap,虽然在JDK1.8中还能看到Segment的数据结构,但是已经简化了属性,只是为了兼容旧版本。


在深入JDK1.8的put和get实现之前要知道一些常量设计和数据结构,这些是构成ConcurrentHashMap实现结构的基础,下面看一下基本属性:

// node数组最大容量:2^30=1073741824
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 默认初始值,必须是2的幕数
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
//数组可能最大值,需要与toArray()相关方法关联
static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE – 8;
//并发级别,遗留下来的,为兼容以前的版本
private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
// 负载因子
private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 链表转红黑树阀值,> 8 链表转换为红黑树
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
//树转链表阀值,小于等于6(tranfer时,lc、hc=0两个计数器分别++记录原bin、新binTreeNode数量,<=UNTREEIFY_THRESHOLD 则untreeify(lo))
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;
private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;
// 2^15-1,help resize的最大线程数
private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 – RESIZE_STAMP_BITS)) – 1;
// 32-16=16,sizeCtl中记录size大小的偏移量
private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 – RESIZE_STAMP_BITS;
// forwarding nodes的hash值
static final int MOVED     = -1; 
// 树根节点的hash值
static final int TREEBIN   = -2; 
// ReservationNode的hash值
static final int RESERVED  = -3; 
// 可用处理器数量
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
//存放node的数组
transient volatile Node<K,V>[] table;
/*控制标识符,用来控制table的初始化和扩容的操作,不同的值有不同的含义
 *当为负数时:-1代表正在初始化,-N代表有N-1个线程正在 进行扩容
 *当为0时:代表当时的table还没有被初始化
 *当为正数时:表示初始化或者下一次进行扩容的大小
private transient volatile int sizeCtl;

基本属性定义了ConcurrentHashMap的一些边界以及操作时的一些控制,下面看一些内部的一些结构组成,这些是整个ConcurrentHashMap整个数据结构的核心。

Node

Node是ConcurrentHashMap存储结构的基本单元,继承于HashMap中的Entry,用于存储数据,源代码如下

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    //链表的数据结构
    final int hash;
    final K key;
    //val和next都会在扩容时发生变化,所以加上volatile来保持可见性和禁止重排序
    volatile V val;
    volatile Node<K,V> next;
    Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.val = val;
        this.next = next;
    }
    public final K getKey()       { return key; }
    public final V getValue()     { return val; }
    public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }
    public final String toString(){ return key + “=” + val; }
    //不允许更新value  
    public final V setValue(V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public final boolean equals(Object o) {
        Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;
        return ((o instanceof Map.Entry) &&
                (k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&
                (v = e.getValue()) != null &&
                (k == key || k.equals(key)) &&
                (v == (u = val) || v.equals(u)));
    }
    //用于map中的get()方法,子类重写
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        Node<K,V> e = this;
        if (k != null) {
            do {
                K ek;
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
        return null;
    }
}

Node数据结构很简单,从上可知,就是一个链表,但是只允许对数据进行查找,不允许进行修改。

TreeNode

TreeNode继承与Node,但是数据结构换成了二叉树结构,它是红黑树的数据的存储结构,用于红黑树中存储数据,当链表的节点数大于8时会转换成红黑树的结构,他就是通过TreeNode作为存储结构代替Node来转换成黑红树源代码如下。

static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
    //树形结构的属性定义
    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; //标志红黑树的红节点
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next,
             TreeNode<K,V> parent) {
        super(hash, key, val, next);
        this.parent = parent;
    }
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        return findTreeNode(h, k, null);
    }
    //根据key查找 从根节点开始找出相应的TreeNode,
    final TreeNode<K,V> findTreeNode(int h, Object k, Class<?> kc) {
        if (k != null) {
            TreeNode<K,V> p = this;
            do  {
                int ph, dir; K pk; TreeNode<K,V> q;
                TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right;
                if ((ph = p.hash) > h)
                    p = pl;
                else if (ph < h)
                    p = pr;
                else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk)))
                    return p;
                else if (pl == null)
                    p = pr;
                else if (pr == null)
                    p = pl;
                else if ((kc != null ||
                          (kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
                         (dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
                    p = (dir < 0) ? pl : pr;
                else if ((q = pr.findTreeNode(h, k, kc)) != null)
                    return q;
                else
                    p = pl;
            } while (p != null);
        }
        return null;
    }
}

TreeBin

TreeBin从字面含义中可以理解为存储树形结构的容器,而树形结构就是指TreeNode,所以TreeBin就是封装TreeNode的容器,它提供转换黑红树的一些条件和锁的控制,部分源码结构如下。

static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {
    //指向TreeNode列表和根节点
    TreeNode<K,V> root;
    volatile TreeNode<K,V> first;
    volatile Thread waiter;
    volatile int lockState;
    // 读写锁状态
    static final int WRITER = 1; // 获取写锁的状态
    static final int WAITER = 2; // 等待写锁的状态
    static final int READER = 4; // 增加数据时读锁的状态
    /**
     * 初始化红黑树
     */
    TreeBin(TreeNode<K,V> b) {
        super(TREEBIN, null, null, null);
        this.first = b;
        TreeNode<K,V> r = null;
        for (TreeNode<K,V> x = b, next; x != null; x = next) {
            next = (TreeNode<K,V>)x.next;
            x.left = x.right = null;
            if (r == null) {
                x.parent = null;
                x.red = false;
                r = x;
            }
            else {
                K k = x.key;
                int h = x.hash;
                Class<?> kc = null;
                for (TreeNode<K,V> p = r;;) {
                    int dir, ph;
                    K pk = p.key;
                    if ((ph = p.hash) > h)
                        dir = -1;
                    else if (ph < h)
                        dir = 1;
                    else if ((kc == null &&
                              (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                             (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                        dir = tieBreakOrder(k, pk);
                        TreeNode<K,V> xp = p;
                    if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
                        x.parent = xp;
                        if (dir <= 0)
                            xp.left = x;
                        else
                            xp.right = x;
                        r = balanceInsertion(r, x);
                        break;
                    }
                }
            }
        }
        this.root = r;
        assert checkInvariants(root);
    }
    ……
}

介绍了ConcurrentHashMap主要的属性与内部的数据结构,现在通过一个简单的例子以debug的视角看看ConcurrentHashMap的具体操作细节。

public class TestConcurrentHashMap{    
    public static void main(String[] args){
        ConcurrentHashMap<String,String> map = new ConcurrentHashMap(); //初始化ConcurrentHashMap
        //新增个人信息
        map.put(“id”,”1″);
        map.put(“name”,”andy”);
        map.put(“sex”,”男”);
        //获取姓名
        String name = map.get(“name”);
        Assert.assertEquals(name,”andy”);
        //计算大小
        int size = map.size();
        Assert.assertEquals(size,3);
    }
}

我们先通过new ConcurrentHashMap()来进行初始化

public ConcurrentHashMap() {
}

由上你会发现ConcurrentHashMap的初始化其实是一个空实现,并没有做任何事,这里后面会讲到,这也是和其他的集合类有区别的地方,初始化操作并不是在构造函数实现的,而是在put操作中实现,当然ConcurrentHashMap还提供了其他的构造函数,有指定容量大小或者指定负载因子,跟HashMap一样,这里就不做介绍了。

put操作

在上面的例子中我们新增个人信息会调用put方法,我们来看下。

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) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode()); //两次hash,减少hash冲突,可以均匀分布
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) { //对这个table进行迭代
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        //这里就是上面构造方法没有进行初始化,在这里进行判断,为null就调用initTable进行初始化,属于懒汉模式初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n – 1) & hash)) == null) {//如果i位置没有数据,就直接无锁插入
            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)//如果在进行扩容,则先进行扩容操作
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            //如果以上条件都不满足,那就要进行加锁操作,也就是存在hash冲突,锁住链表或者红黑树的头结点
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    if (fh >= 0) { //表示该节点是链表结构
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            //这里涉及到相同的key进行put就会覆盖原先的value
                            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) {  //插入链表尾部
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {//红黑树结构
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        //红黑树结构旋转插入
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            if (binCount != 0) { //如果链表的长度大于8时就会进行红黑树的转换
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);//统计size,并且检查是否需要扩容
    return null;
}

这个put的过程很清晰,对当前的table进行无条件自循环直到put成功,可以分成以下六步流程来概述。

  1. 如果没有初始化就先调用initTable()方法来进行初始化过程
  2. 如果没有hash冲突就直接CAS插入
  3. 如果还在进行扩容操作就先进行扩容
  4. 如果存在hash冲突,就加锁来保证线程安全,这里有两种情况,一种是链表形式就直接遍历到尾端插入,一种是红黑树就按照红黑树结构插入,
  5. 最后一个如果该链表的数量大于阈值8,就要先转换成黑红树的结构,break再一次进入循环
  6. 如果添加成功就调用addCount()方法统计size,并且检查是否需要扩容

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