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ConcurrentHashMap JDK1.8源码深入剖析(一)

程序员文章站 2022-06-04 19:23:46
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ConcurrentHashMap JDK1.8源码深入剖析(一)

阅读前建议掌握的知识

  1. CAS操作
  2. hashMap的原理
  3. 并发相关锁的知识
  4. 并发中原子性,可见性,重排序的概念

特性

  • 底层实现原理为数组+链表+红黑树
  • 当链表大小阀值超过8时转换为红黑树
  • 大量使用CAS操作来实现无锁
  • 并发扩容

主要属性

TREEIFY_THRESHOLD,UNTREEIFY_THRESHOLD
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;

大于8时,链表转树阀值。

小于6时树转链表,仅在扩容tranfer时才可能树转链表。

sizeCtl
private transient volatile int sizeCtl;

hash表初始化或扩容时的一个控制位标识量。负数代表正在进行初始化或扩容操作。
- -1代表正在初始化。
- -N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作。
- 正数或0代表hash表还没有被初始化,这个数值表示初始化或下一次进行扩容的大小。

MOVED
      /*
     * Encodings for Node hash fields. See above for explanation.
     */
    static final int MOVED     = -1; // hash for forwarding nodes

Node的hash值,为 -1时代表该Node为ForwardingNode

TREEBIN
static final int TREEBIN   = -2;// hash for roots of trees

树根节点的hash值

MAX_RESIZERS
    /**
     * The maximum number of threads that can help resize.
     * Must fit in 32 - RESIZE_STAMP_BITS bits.
     */
    private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1;

并发扩容时最大允许的help线程总数

Node

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        //让value为volatile类型,让其有可见性
        volatile V val;
        //
        volatile Node<K,V> next;

        Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
...
        }

...

        //禁止直接setValue
        public final V setValue(V value) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

  ...

        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;
        }
    }

节点是ConcurrentHashMap的核心内部类,他的设计原理是不允许call setValue来直接改变它的值,因为put需要用CAS来实现无锁线程安全操作。同时提供了find方法来通过hash值和key寻找链表中的节点,该方法被map.get()调用,被子类overriden,来实现不同类型节点的查询方法。

关键的三个CAS方法

    static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
        return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
    }

tabAt方法通过UNsafe的CAS操作来获得在i下标位置的Node

    static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
                                        Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
        return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
    }
 ```
 对i下标位置上的Node进行CAS的set操作,如果有其他线程正在访问则会返回false,ASHIFT是指tab[i]中第i个元素在相对于数组第一个元素的偏移量,而ABASE就算第一数组的内存素的偏移地址,((long)i << ASHIFT) + ABASE就算i最后的地址。

 ```
    static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {
        U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
    }

利用volatile方法set节点位置的值,注意setTabAt总是在被锁定的代码块中才调用。

Put方法

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        //不允许key或value为null
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        //经典CAS操作,不set成功死不罢休
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            //初始化table
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
            //如果节点为null,直接用cas方法尝试set,若成功直接break跳出CAS循环。
            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
            }
            //如果是forwardingNode节点,代表有其他线程正在扩容,于是helpTransfer辅助扩容
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            //这里意味者节点下是链表或是树,通过synchronized锁住f表头,则锁住了整个链表或树
            else {
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                    //判断是链表还是树,fh>=0则为链表
                        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;
                                //若遍历到最后一个节点,则直接将新值插入到尾部,跳出循环
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        //按照树节点来处理
                        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) {
                //大于8的阀值下将链表转化为树
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        //更新map大小,+1
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

putVal的设计核心思想是
- 不允许key或value为null。
- 用spread计算key的hash值再用类似取模的方法来确定在table数组中的位置。
- 若有需要则初始化table。
- 若该节点为null,无哈希碰撞,则使用CAS来进行set操作。
- 若该节点被标记为forward,则代表有其他线程正在进行扩容,当前线程也会辅助进行扩容操作。
- 若该节点为链表或树,代表哈希碰撞,则使用synchronized来锁住桶,然后进行set操作。注意若在该节点为链表时,会依次向后找到应该存放的位置,若大于阀值8则转化为红黑树,若本来就是树结构则按照树的方法存放。

参考