简介
ConcurrentHashMap是从JDK 1.5开始支持一定并发性的哈希表，其中所有的操作都是线程安全的，所以常常会被应用于高并发的场景中。
为什么会出现ConcurrentHashMap？
- HashMap 非线程安全，不适用于并发场景
- HashTable 线程安全，但是效率低下。
结构分析
Segment
Segment 是CHM中非常重要的一个类，它继承至ReentrantLock，作为CHM分段锁实现的重要组成部分 。
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable{
...
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
transient int threshold;
final float loadFactor;
...
}Segment 里面还包含了一个HashEntry数组，而HashEntry就是实际组装代表Hash节点的数据。
HashEntry
HashEntry 是实际的数据节点，是一个单向链表结构。
static final class HashEntry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;
}重要属性
// 默认初始容量 16
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
// 默认加载因子 0.75f （作用域segment内部）
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 默认并发级别（和默认初始容量一致） 16
static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
// 允许的最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 每段segment最小容量（必须是2的幂，至少是2）
static final int MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY = 2;
// 允许的最大segment数
static final int MAX_SEGMENTS = 1 << 16; // slightly conservative
// 锁之前，重试次数（默认自旋次数）
static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;
// 分段索引的掩码值
final int segmentMask;
// 段内索引的移位值
final int segmentShift;
// segment 数组
final Segment<K,V>[] segments;
transient Set<K> keySet;
transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet;
transient Collection<V> values;从上面大概可以看出ConcurrentHashMap的结构如下：
方法分析
构造方法
public ConcurrentHashMap() {
this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
// 1. 参数校验
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 2. 控制最大并发级别
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
int sshift = 0;
int ssize = 1;
// 3. 找到2的多少次方才能到并发级别，默认16的话sshift 就是4
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
// 默认值计算出来segmentShift 就是28；by:https://jingling.im
this.segmentShift = 32 - sshift;
// 默认值计算出来segmentMask 就是15
this.segmentMask = ssize - 1;
// 4. 控制最大初始容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// 5. 如果是默认的并打级别，ssize就是16，initialCapacity 为64的话，c就为4
// initialCapacity 为65的话，c计算结果为5
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
// 默认最小值2，确保插入第一个值的时候不会触发扩容
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
// 计算找到第一个cap比c大于等于的2的幂。如果c是5，cap就是8
// 确保cap是2的幂
cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
// 6. 创建第一个Segment元素
// cap * loadFactor：计算扩容阈值
// new HashEntry[cap]：初始化第一个segment的HashEntry数组
Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
(HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
// 7. 创建CHM的segments数组，ssize的大小和并发级别有关
Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
// 写入数组第一个元素
UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
this.segments = ss;
}小结：
- 构造方法确定了初始容量，加载因子，并发级别等参数。
- Segment数组的大小是由并发级别的大小确定的，且也必须是2的幂，默认是16。
- 确定segment里面的HashEntry初始大小cap，且也必须是2的幂，最小为2。
- 完成了初始化Segment数组和写入第一个segment元素。
put方法
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
// 1.参数校验，不允许value为null
if (value == null)
throw new NullPointerException();
// 2.计算key的hash(32位)
int hash = hash(key);
// 3. 默认值时，hash无符号右移28位，保留高4位，然后做位运算 & 15；
// 最后j的值就是segments数组槽的下标
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
// 4. 构造方法只初始化了Segments[0]，其他位置第一次插入的时候还是null,需要初始化
s = ensureSegment(j);
// 5.往segments中放入值
return s.put(key, hash, value, false);
}
// 内部类Segment中的实现，真正放segment中添加数据的方法
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 父类 ReentrantLock.tryLock() 尝试获得锁，没有获得锁会调用scanAndLockForPut，直到返回一个节点并持有锁
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
// 旧的值
V oldValue;
**try {
// 当前槽Segment中的HashEntry数组
HashEntry<K,V>[] tab = table;
// 1.计算hash所在的索引
int index = (tab.length - 1) & hash;
// 定位数组中的HashEntry元素，HashEntry是链表结构，第一个也就是表头
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) { // 遍历hashEntry链表
if (e != null) { // 存在旧值
K k;
// 1.1 校验key是否一致
if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value; // 取出覆盖前的旧值
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value; // 覆盖旧值
++modCount; // 记录修改次数
}
break;
}
e = e.next; // 继续遍历下一个元素
} else { // 不存在旧值
if (node != null)
node.setNext(first); // 直接设置表头first
else
// 初始化节点并设置表头first
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1; // 元素的数量+1
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
// 触发扩容
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node); // 将node放到数组tab的index位置，
++modCount; // 记录修改次数+1
count = c;
oldValue = null; // 第一次添加返回null
break;
}
}
} finally {
unlock(); // 释放锁
}
return oldValue; // 返回旧值
}
put方法小结：
- 首先通过key的hash值计算出所在的槽位，也就是segments[index]。
- 如果index不是第一个，第一次插入的时候需要初始化对应的Segment，然后再执行put操作。
- 获得锁（锁的是一个Segment），通过hash计算元素所在的HashEntry数组索引，完成值的插入或覆盖，记录修改次数，以及扩容检测。
- 释放锁，并返回旧值。
初始化Segment：ensureSegment
// 初始化其他Segment(构造方法只初始化了Segments[0]，其他位置第一次插入的时候还是null,需要初始化)
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
// 计算原始偏移量
long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
Segment<K,V> seg;
// 1. 再次确保是没有初始化过的
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
// 2. 以第一个segment作为模版原型
Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
// 取第一个segment的HashEntry数组长度，加载因子等
// 因为构造方法时已经算过了，后面的都取第一个的初始化参数
int cap = proto.table.length;
float lf = proto.loadFactor;
int threshold = (int)(cap * lf); // 计算阈值
// 3.初始化segment的HashEntry数组
HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
// 4. 再次检查确保是没有这个过程中没有被其他线程初始化
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck
// 初始化Segment
Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
// while自旋检测，并将初始化好的segment设置到segments数组对应的索引位置中
while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
break;
}
}
}
// 返回初始化好的segment by:https://jingling.im
return seg;
}
获取写入锁: scanAndLockForPut
在前面put元素的时候会尝试tryLock获得锁，如果没有获得到锁，会进入到这个方法，直到成功获得锁并返回
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
HashEntry<K,V> e = first;
HashEntry<K,V> node = null;
int retries = -1; // negative while locating node
while (!tryLock()) { // 自旋尝试获得锁，直到获得锁退出循环
HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
if (retries < 0) {
if (e == null) {
if (node == null) // speculatively create node
// 预先创建节点
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
retries = 0;
} else if (key.equals(e.key))
retries = 0;
else
e = e.next; //链表，下一个
} else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {// 最大重试次数：单核1，多核64
lock(); // 阻塞线程，直到获得锁
break;
} else if ((retries & 1) == 0 && (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
// first节点所在的位置发生了变化，重新赋值first
e = first = f; // re-traverse if entry changed
retries = -1; // 相当于重新进入scanAndLockForPut方法
}
}
return node;
}该方法的最终目的是要保证获得锁。
扩容：rehash方法
对Segment中的HashEntry数组进行两倍的扩容，并将入参的节点加入到数组列表中。
只有在put方法时才会触发扩容，调用该方法时已经持有锁。
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
// 旧的容量
int oldCapacity = oldTable.length;
// 扩容，新的值
int newCapacity = oldCapacity << 1;
// 计算新的扩容阈值
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
// 新的HashEntry数组
HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
int sizeMask = newCapacity - 1;
// 遍历旧的数组元素
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
HashEntry<K,V> e = oldTable[i]; // 旧数组中的值
if (e != null) {
HashEntry<K,V> next = e.next;
int idx = e.hash & sizeMask;
if (next == null) // 链表，只有一个节点
newTable[idx] = e; // 直接将旧值放入到新的数组中
else { // 说明HashEntry数组中的节点是链表
HashEntry<K,V> lastRun = e; // e是头结点
int lastIdx = idx;
// 遍历链表，确定下来一个节点lastRun（重新计算索引后有变化的最后一个节点）
for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) {
int k = last.hash & sizeMask;
if (k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
// 将lastRun节点及它身上所处链表赋值到新的数组中
newTable[lastIdx] = lastRun;
// Clone remaining nodes
// lastRun节点之前的节点，因为重新计算索引有变化，需要赋值到不同的位置
for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
V v = p.value;
int h = p.hash;
int k = h & sizeMask; // 重新计算索引，与lastIdx不一样
HashEntry<K,V> n = newTable[k];
// 重新构造一个新的hashentry节点并赋值到新的数组中，如果不new需要切断链表更麻烦
newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
}
}
}
}
// 新加入的节点，计算索引
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
// newTable[nodeIndex] 可能已经存在有值，node节点作为头结点设置
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node; // 重新设置nodeIndex位置
table = newTable; // 赋值新的数组
}扩容小结：
- 调用扩容之前已经持有锁，每次对HashEntry数组进行两倍扩容。
- 扩容之后需要将旧的数组中的数据赋值到新的数组中
- 第二个for循环的目的是找到冲突链表上最后一个重新计算索引有变化的节点，之后直接把后面所有的节点赋值到同一个索引位置的新数组中
- 最坏的情况就是遍历到了最后一个节点，那么第二个for循环就是多余的。不过作者 Doug Lea 说了，根据统计，如果使用默认阈值，大约只有 1/6 的节点需要克隆。
获取：get方法
public V get(Object key) {
// 所在的槽
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
// 计算hash
int h = hash(key);
// 1.计算槽的索引位置
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null && (tab = s.table) != null) {
// 2. 计算在HashEntry中的索引位置,遍历链表
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile(tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
e != null; e = e.next) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k))) // 找到元素，并返回值
return e.value;
}
}
return null; // 没有找到，返回null
}这个方法的实现就简单很多，只要确定如果找到对应的索引位置就行。
- 先要确认槽的位置，也就是segment的位置
- 然后确定在segment里面的HashEntry数组中的索引位置。
- 在链表上找目标key并返回其值
删除：remove
public boolean remove(Object key, Object value) {
// 计算hash
int hash = hash(key);
Segment<K,V> s;
// segmentForHash: 计算hash所处的槽位，返回对应的segment
return value != null && (s = segmentForHash(hash)) != null &&
s.remove(key, hash, value) != null;
}
// 移除指定值的元素
final V remove(Object key, int hash, Object value) {
if (!tryLock()) // 先尝试获得锁
scanAndLock(key, hash); //尝试获得锁或阻塞等待获得锁
V oldValue = null;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table; // segment的数据table
int index = (tab.length - 1) & hash; // 计算所处的索引
HashEntry<K,V> e = entryAt(tab, index); // 取出所处位置的HashEntry
HashEntry<K,V> pred = null; // 记录前置节点
while (e != null) { // 元素存在
K k;
HashEntry<K,V> next = e.next;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) { // 找到了目标一直的元素
V v = e.value;
if (value == null || value == v || value.equals(v)) { // 并且value 一直
if (pred == null) // 如果第一个元素就是目标元素
setEntryAt(tab, index, next); // 直接将对应位置的数据设置为next值
else
pred.setNext(next); // 删除链表中间的目标节点
++modCount; // 记录修改次数
--count; // -1
oldValue = v; //删除的旧值
}
break;
}
pred = e;
e = next; // 继续遍历比对下一个节点
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
总结
- 1.7版本是通过Segment+HashEntry来实现的,Segment 继承至ReentrantLock
- Segments的数量在初始化后不支持扩容
- 扩容机制只会对segment中的HashEntry数组进行2倍扩容
- 最终的并发性能会受Segments数量的限制而限制