欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页  >  IT编程

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列

程序员文章站 2022-09-24 20:15:44
ConcurrentHashMap结构数组+链表+红黑树。链表大于8转红黑树,红黑树节点数小于6退回链表。跟HashMap是一样的。只是支持并发的操作存放的key-value的Node节点。结构几乎一样,但是有个很重要的地方,val,next都被volatile,保证在多个线程之间的可见性。static class Node implements Map.Entry { final int hash; final K key...

ConcurrentHashMap结构

数组+链表+红黑树。链表大于8转红黑树,红黑树节点数小于6退回链表。跟HashMap是一样的。只是支持并发的操作
图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列

存放的key-value的Node节点

结构几乎一样,但是有个很重要的地方,val,next都被volatile关键字修饰,保证在多个线程之间的可见性。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final int hash;
        final K key;
        volatile V val;
        volatile Node<K,V> next;
}

树形结构的Node,继承Node多了几个红黑书树树特征的属性。

 static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
        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;
}

继承结构

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列

核心属性

  • volatile Node<K,V>[] table;
    结构中存放数据的数组,初始化时并不会立马初始化,而是等到第一次插入时延迟初始化。大小始终是2的幂
  • volatile Node<K,V>[] nextTable;
    这个属性在扩容是很重要, 只有在扩容时才会用得到。可以简单理解为扩容后需要放置的新数组。
  • transient volatile long baseCount;
    基本计算表中元素个数,主要在无竞争时使用, 通过CAS更新。但是map的size!=baseCount,具体往下看
  • volatile int transferIndex;
    扩容时,线程需要负责转移的开始下标,扩容时分配任务时会频繁用到。
  • transient volatile CounterCell[] counterCells;
    很重要,用来计算个数的元素,后续在size方法,以及addCount方法时会用到,后续详细讲解。
  • volatile int cellsBusy;
    当counterCells需要扩容了,修改counterCells时的标识,在addCount方法时讲解
  • transient volatile int sizeCtl;
    默认为0,用来控制table的初始化和扩容操作
    1 代表table正在初始化
    N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作:
    如果table未初始化,表示table需要初始化的大小。
    如果table初始化完成,表示table的容量,默认table大小的0.75倍

看懂几个方法

  • tabAt
    拥有volatile语义的读取数组中的相应索引的数据,直接读取主内存中的数组数据。
  • casTabAt
    使用CAS的方式保证线程安全。
  • setTabAt
    对setTabAt的调用始终在锁定区域内发生,并不需要完整的volatile语义,当前被编码为volatile 是保守的。
    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);
    }

    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);
    }

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

开始看map的几个核心方法的实现。

核心方法public V put(K key, V value)

put时存在多种情况,并且需要支持并发线程安全。下面分步骤进行解析

  • 数组table还未初始
    直到put成功才退出
 for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
    Node<K,V> f; 
    int n = tab.length;
    if (tab == null || tab.length == 0) {
        tab = initTable();
    }     
}

初始化代码,一进去就是个循环一直到table完成初始化。线程会根据**sizeCtl(volatile保持线程可见性)**的值,判断进行初始化操作,还是让当前线程从运行状态变为就绪状态,让出CPU。

  • sizeCtl小于0
    使当前线程从运行状态变为就绪状态让出CPU
  • sizeCtl大于等于0
    进行CAS操作改变sizeCtl的值为-1,代表已有线程竞争到初始化table的权利。准备开始初始化。
    初始化过程:
    如果table未初始化sizeCtl表示table需要初始化的大小,New出数组。属性赋值给table。 table初始化完成,sizeCtl表示需要扩容的阈值,默认table大小的0.75倍。
private final Node<K,V>[] initTable() {
        Node<K,V>[] tab; 
        //记录sizeCtl的值,sizeCtl后续CAS修改-1了
        int sc;
        //只要table没完成初始化就尝试初始化
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                //让出Cpu的执行
                Thread.yield(); 
            //线程CAS,其中会有一个线程CAS成功
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                //CAS成功的线程开始初始化table
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                        int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                        table = tab = nt;
                        //0.75倍
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;
            }
        }
        //直到table完成初始化退出循环,返回table
        return tab;
    }

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
再接着往下看,会发现其他else 语句都进不去了,元素还没put进去呢,这不白瞎了。别忘记了开头进来是个一直的循环,等table初始化完成后,循环还没结束呢。只有在元素插入后才会break跳出循环。table初始化完成了接着往下看。

  • 存放时数组table相应位置为Null
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
    if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
        break;
}

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
线程2竞争CAS失败,依旧需要下次循环,下次循环时table此处已经存放了Node节点(忽略移除的情况),接下来再看线程2要怎么处理。

  • 存放的结构是链表(数组中相应位置已有节点)
    上述到线程1和线程2CAS竞争,线程2失败,再次进到循环处。前两个条件已经进不去了(table已初始化,table存在元素)先暂时忽略正在扩容的情况,后面说。线程2只能进到最后一个else。代码挺长耐心看。
    代码第三行看到 synchronized,其实只要看到就可以松一口气,因为其中是同步代码块同时只有一个线程可以进入,只要考虑单线程的就好了。基本和HashMap插入元素一样了。
    图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
//锁住头结点
synchronized (f) {
    if (tabAt(tab, i) == f) {
        //头结点的Hash值如果小于0代表在扩容,这个后面扩容时说
        if (fh >= 0) {
            //统计链表的节点个数
            binCount = 1;
            for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                K ek;
                //存在key相同的情况,替换其中的value值
                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;
                //没有存在key相等,构造节点插入到链表后
                if ((e = e.next) == null) {
                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                    value, null);
                    break;
                }
            }
        }
    }
}
if (binCount != 0) {
    //大于阈值8需要进行链表转红黑树
    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
        treeifyBin(tab, i);
    if (oldVal != null)
        return oldVal;
    break;
}
addCount(1L, binCount);
  • 存放的结构是 红黑树
    锁住头节点,如果头节点是TreeBin结构,那么调用putTreeVal方法将节点插入红黑树。至于红黑树的插入与删除篇幅较长,下次在另一篇文章中介绍。
//锁住头节点,形成同步代码块
synchronized (f) {
    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;
        } 
    }
}
addCount(1L, binCount);

对于上述 synchronized (f),做一个补充,因为只是锁住了单个节点,并不会影响操作其他链表或者其他红黑树的线程。只要线程tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)获取的节点不一致,就不会产生冲突。

核心方法private final void addCount(long x, int check)

再线程添加完节点后最后都调用了addCount(1L, binCount);到目前为止,是不是没有发现扩容在何处触发,因为我们说当hashMap存放的元素>容量*负载因子(默认0.75)就会扩容,那么这个方法一定是在put增加元素时检查是否需要扩容。
一起看看这个方法干嘛用的,是否有触发扩容。再看这个方法前,先看看size()方法,是怎么计数的。

核心方法 public int size()

先大概看一下源码,发现并不是直接返回baseCount这个属性。而是遍历counterCells数组中所有的值累加到baseCount上返回。

    public int size() {
        long n = sumCount();
        return ((n < 0L) ? 0 :(n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE : (int)n);
    }
final long sumCount() {
        CounterCell[] as = counterCells; 
        CounterCell a;
        long sum = baseCount;
        if (as != null) {
            for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
                if ((a = as[i]) != null)
                    sum += a.value;
            }
        }
        return sum;
    }

那么为什么这个中的所有值和baseCount累加在一起就等于Map的size呢,先看看他的结构很简单,只有一个volatile修饰的value值,这个时候再回头看addCount(long x, int check)方法

@sun.misc.Contended static final class CounterCell {
        volatile long value;
        CounterCell(long x) { value = x; }
    }

核心方法private final void addCount(long x, int check)

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
大致流程图如上,如果CounterCell为Null,说明还没有线程增加节点,直接CAS baseCount。如果成功了则表示添加成功,失败的话说明还有其他线程在操作baseCount。准备开始修改CounterCell数组中节点的值,随机生成一个随机数取余CounterCell数组长度,如果节点为Null或者CAS修改失败进入fullAddCount。再来看fullAddCount函数

private final void addCount(long x, int check) {
        CounterCell[] as; long b, s;
        //如果counterCells不为空,说明不是第一次add,直接进入if
        //只有ounterCells为空,才会CAS竞争baseCount
        //CAS操作失败进入if 避免多个线程竞争baseCount
        if ((as = counterCells) != null ||
            !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
            CounterCell a; 
            long v; 
            int m;
            boolean uncontended = true;
            //以下条件只要有一个为true,就会执行fullAddCount(x, uncontended),贼长的一个方法。
            //CounterCell数组为空
            //ThreadLocalRandom.getProbe() 生成每个线程的一个随机数,&m 取余CounterCell数组的长度得到的节点为Null
            //CAS增加节点失败
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
                !(uncontended = U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
                fullAddCount(x, uncontended);
                return;
            }
        }
    }

fullAddCount函数:从上图可以看出,

  • 当直接CAS操作BASECOUNT失败
  • CounterCell为Null(未初始化)
  • 随机值取余CounterCell表长度下标元素为Null
  • 以及CAS修改下标元素值失败
    都会进入fullAddCount方法。一起看看fullAddCount做了什么。如果你不想看代码可以看下面的图和总结。
private final void fullAddCount(long x, boolean wasUncontended) {
        int h;
        //如果当前线程的probe的值为0,则初始化当前线程的probe的值,probe就是随机数
        if ((h = ThreadLocalRandom.getProbe()) == 0) {
            //force initialization
            ThreadLocalRandom.localInit();
            //重新获取probe,随机数
            h = ThreadLocalRandom.getProbe();
            // 重新生成了probe,未冲突标志位设置为true
            wasUncontended = true;
        }
        //如果最后一个插槽非空则为true
        boolean collide = false;

        //自旋
        for (;;) {
            CounterCell[] as; 
            CounterCell a; 
            int n; 
            long v;
 
            //counterCells已经完成初始化过,可以先看初始化部分
            if ((as = counterCells) != null && (n = as.length) > 0) {
 
                //随机数快速取余表长度,定位数组中的节点
                if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                    //该位置不存在节点元素
                    //cellsBusy=0表示counterCells不在初始化或者扩容状态下
                    if (cellsBusy == 0) {
                        //构造一个CounterCell的值
                        CounterCell r = new CounterCell(x); 
 
                        //cellsBusy=0表示counterCells不在初始化或者扩容状态下,并且没有其他线程在添加节点
                        //通过cas设置cellsBusy标识,防止其他线程来对counterCells并发处理
                        if (cellsBusy == 0 &&
                            U.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1)) {
                            boolean created = false;
                            try {               
                                CounterCell[] rs; int m, j;
                                //将初始化的r对象的元素个数放在对应下标的位置
                                //cas成功后,检查一些必要条件是否依旧成立
                                if ((rs = counterCells) != null &&
                                    (m = rs.length) > 0 &&
                                    rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                    //完成数组相应元素的赋值
                                    rs[j] = r;
                                    created = true;
                                }
                            } finally {
                                 //初始化结束恢复标识
                                cellsBusy = 0;
                            }
                            //数据添加成功,退出自旋
                            if (created)
                                break;
                            //数据添加不成功,进入下一次循环
                            continue;
                        }
                    }
                    collide = false;
                } else if (!wasUncontended)
                    wasUncontended = true;
                //由于指定下标位置的cell值不为空,则直接通过cas进行原子累加,如果成功,则直接退出
                else if (U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))
                    break;
                //CounterCells大于CPU核心数(线程的并发数不会超过cpu核心数)
                else if (counterCells != as || n >= NCPU)
                    //设置当前线程的本次循环失败不进行其他操作,下次循环再看情况做选择
                    collide = false;  

                //上述步骤依旧未完成,线程的并发数小于cpu核心数,恢复collide状态,标识下次循环会进行操作
                else if (!collide)
                    collide = true;
 
                //进入这个步骤,说明CounterCell数组容量不够,
                //线程竞争比较大了,才会到这步
                //所以先设置一个标识表示为正在扩容
                else if (cellsBusy == 0 &&
                         U.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1)) {
                    try {
                        if (counterCells == as) {
                            //扩容一倍 2变成4,这个扩容比较简单
                            CounterCell[] rs = new CounterCell[n << 1];
                            for (int i = 0; i < n; ++i)
                                rs[i] = as[i];
                            counterCells = rs;
                        }
                    } finally {
                        //恢复标识
                        cellsBusy = 0;
                    }
                    collide = false;
                    //继续下一次自旋
                    continue;
                }
                //继续下一次自旋
                h = ThreadLocalRandom.advanceProbe(h);
            }
            //counterCellsw未初始化,进行初始化
            //cellsBusy=0表示没有线程执行初始化操作
            //cellsBusy volatile变量保持线程可见性
            //通过cas更新cellsbusy的值标注当前线程正在做初始化操作
            else if (cellsBusy == 0 && 
                     counterCells == as &&
                     U.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1)) {
                boolean init = false;
                // Initialize table
                try {                           
                    if (counterCells == as) {
                        //初始化容量为2
                        CounterCell[] rs = new CounterCell[2];
                        //将个数 放在指定的数组下标位置
                        rs[h & 1] = new CounterCell(x);
                        //赋值给counterCells
                        counterCells = rs;
                        //设置初始化完成标识
                        init = true;
                    }
                } finally {
                    //初始化结束恢复标识
                    cellsBusy = 0;
                }
                if (init)
                    break;
            }
            //竞争激烈,以上情况都不满足,其它线程占据cell 数组,直接累加在base变量中
            else if (U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, v = baseCount, v + x))
                break;
        }
    }

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
ConcurrentHashMap单纯做一个size+1的操作都是这般鬼斧神工,太难了。不知道你看完上面的图没有,做个总结。
图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列

size+1是如何做到线程安全的

绕来绕去的,心中是不是在想直接CAS操作baseCount累加就不用这么麻烦了,但是这会造成多个线程在put完元素,同时竞争baseCount,导致性能低下。
选择size=baseCount+counterCells数组中的所有值加一块,这样结合上图就会发现,多个线程可以同时竞争baseCount,counterCells的每个数据节点(改变counterCells需要竞争cellsBusy),这样是不是有可能10个线程竞争一个baseCount和多个counterCells数组节点(默认数组长度为2,当竞争激烈时,会有线程扩容成2倍),10个竞争3个,是不是比10个竞争1个好呢。
下面看下,什么情况下会CAS竞争什么节点

  • counterCells未初始化,CAS竞争cellsBusy置为1,开始初始化
  • 线程竞争激烈,counterCells扩容成2倍,CAS竞争cellsBusy置为1
  • counterCells相应下标元素为Null,CAS竞争cellsBusy置为1,需要对counterCells做修改
  • counterCells相应下标元素不为Null,CAS竞争相应下标元素,+x
    瞬间由多个线程竞争一个baseCount,到多个线程竞争多个元素,并且当竞争激烈时,还会进行扩容,可以竞争元素增多。

你以为addCount方法结束了吗,上文说了还要判断是否需要扩容,到现在目前为止只是完成了size的+1操作,后面还有一半的代码,来判断是否需要扩容。

private final void addCount(long x, int check) {
         /******省略size+1的代码**************/
        //统计map中有多少个元素
        long    s = sumCount();
        //remove也会调用addCount,但是check为-1代表不需要检查扩容
        if (check >= 0) {
            Node<K,V>[] tab;
             Node<K,V>[] nt; 
            int n;
            int sc;
            //为什么是循环而不是if
            //首先内部的几处CAS都有可能会失败,失败了就需要再做一次判断
            //其次考虑一种情况,是否会存在,该线程刚刚完成扩容,又有大量的元素进到map中
            //while中完成扩容后,最后一行代码又计算了一下map的元素个数,看是否还需要扩容
            while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                   (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
                int rs = resizeStamp(n);
                //已经存在线程扩容了(回顾一下sizeCtl各个数字的含义)
                if (sc < 0) {
                    // 没看懂,前面几个关于sc的判断没看懂,有明白的辛苦评论告知
                    // 能进入if的说明sc小于0,但是还存在一个情况就是进入if后扩容完成了
                    //在扩容的分配任务中可以看到对nextTable,transferIndex 的修改
                    if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                        sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                        transferIndex <= 0)
                        break;
                    //CAS修改使得sizeCtl表示的正在扩容的线程+1
                    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                        transfer(tab, nt);
                //CAS修改SIZECTL的值,第一个进入扩容的线程
                }else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                    transfer(tab, null);
                s = sumCount();
            }
        }
    }

至此要进入最核心的代码transfer扩容了。做好战斗准备

核心方法void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) ;扩容最难的方法

ConcurrentHashMap是支持多个线程扩容的,在什么时候触发多个线程后续再分析
当有多个线程扩容时,需要先分配任务,将将数组拆分成多块,指定线程处理某一些桶的扩容。例如这样
图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
下面先分析线程是怎么确定自己需要扩容的桶的。

private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
        //确认一个线程需要处理多少个桶
        int n = tab.length;
        //线程单次需要处理的桶的数量
        int stride;
        //如果CPU个数大于1,需要处理的数量为, 将 length / 8 然后除以 CPU核心数,如果得到的结果小于 16,那么就使用 16。
        //让每个 CPU 处理的桶一样多,避免出现转移任务不均匀的现象 
        if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
            stride = MIN_TRANSFER_STRIDE;
         
        //nextTab为Null扩容线程,不为Null是帮助扩容线程
        if (nextTab == null) {            // initiating
            try {
                //初始化一下新的数组
                Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
                nextTab = nt;
            } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
                sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
                return;
            }
            //赋值,这样其他线程访问nextTable时就不会为空了  
            nextTable = nextTab;
            //这个下标很重要,这里是等于旧的数组的容量。代表的含义是未处理的最后一个位置。
            transferIndex = n;
        }
        //新数组的容量,也很重要,先记着
        int nextn = nextTab.length;
        //上文说过的一个标记的用的Node节点,hash值为-1
        ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
        //也是一个标识,标识是否前进到下一个桶的位置(是否处理下一个桶)
        boolean advance = true;
        //当前线程的扩容任务是否结束
        boolean finishing = false;
        //开始自旋处理
        for (int i = 0, bound = 0;;) {
            Node<K,V> f; 
            int fh;
            while (advance) {
                int nextIndex, nextBound;
                //这个两个if暂时不要看,看完最后一个分支再看
                //只需要记得其中完成了--i,nextIndex = transferIndex(旧的table的长度 )
                //(看完最后一个分支再看)当经历过下面的任务分配后,
                // 如果--i,大于等于bound上限,说明已经分配了任务并且没执行完不用再执行分配任务了
                if (--i >= bound || finishing)
                    advance = false;
                else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                    i = -1;
                    advance = false;
                }
                //CAS设置transferIndex的值(未分配处理的最后一个结点的位置),如果CAS成功就计算需要处理的桶的开始和结束位置。
                //其中两个分重要的属性nextBound,nextIndex
                //处理的桶下限:nextBound = 数组长度-单次需要处理的桶个数
                //处理的桶上限:i = 数组的最后一个
                else if (U.compareAndSwapInt
                         (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                          nextBound = (nextIndex > stride ? nextIndex - stride : 0))) {
                    bound = nextBound;
                    i = nextIndex - 1;
                    //任务分配完成,结束while循环
                    advance = false;
                }
            }
       }
    }

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
分配任务的重点在于,先CAS修改transferIndex的值,修改成功再分配。这样在其他线程读取到transferIndex的值时,再去分配任务时就不会造成任务重复分配分配完任务后,看线程是怎么处理这些分配到自己头上的这些桶的。先看一个Node结构,其HASH值为-1,用来做特定标识的。标记当前桶已经被处理了

static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
        final Node<K,V>[] nextTable;
        ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
            //Hash值MOVED为负一
            super(MOVED, null, null, null);
            this.nextTable = tab;
        }
}

图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列

private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
        /*************************以下代码为分配任务*************************/
        int n = tab.length, stride;
        if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
            stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
        if (nextTab == null) {            // initiating
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
                nextTab = nt;
            } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
                sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
                return;
            }
            nextTable = nextTab;
            transferIndex = n;
        }
        int nextn = nextTab.length;
        ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
        boolean advance = true;
        boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
        /*************************以上代码为分配任务*************************/
        for (int i = 0, bound = 0;;) {
            //先不用去看这个if,这个是判断当前线程是否已经将任务处理完毕
            if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
                int sc;
                if (finishing) {
                    nextTable = null;
                    table = nextTab;
                    sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                    return;
                }
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                    if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                        return;
                    finishing = advance = true;
                    i = n; // recheck before commit
                }
            }
            //如果这个桶是空的,直接CAS一个Hash值为-1的ForwardingNode节点
            //代表这个桶已经处理完毕,然后进入下一次循环,i在while循环中会-1
            else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
                advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
            //桶不为空,但是是ForwardingNode节点,直接进入下次循环(处理下个桶)
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                advance = true; // already processed
            else {
                //开始锁住头节点,往新的数组迁移数组(里面细节先不看之后都是同步代码块。先分析一下整体流程)
                synchronized (f) {
                   //判断是链表还是树,按结构迁移数据
                }
            }
        }
    }

至此为止扩容部分大部分结束。其实简单来说,就两个步骤
图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列
但是每个步骤拆开细节都很多。

什么时候才会触发分配任务

怎么判断所有任务已经分配完毕。

 //分配任务的代码
 while (advance) {
    int nextIndex, nextBound;
    if (--i >= bound || finishing)
        advance = false;
    else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
        i = -1;
        advance = false;
    }
    else if (U.compareAndSwapInt
             (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
              nextBound = (nextIndex > stride ?
                           nextIndex - stride : 0))) {
        bound = nextBound;
        i = nextIndex - 1;
        advance = false;
    }
}

1.处理位置i要大于下限bound=》分配给当前线程的任务没处理完。
2. transferIndex(代表还未分配的桶的最后一个的位置)大于0=》还有未处理的桶
什么时候transferIndex会被设置成等于0呢,执行到CAS处,当transferIndex不大于stride(每次被分配的个数),如果CAS成功说明我将剩下所有的任务都分配给A线程去执行了,那么这个时候B线程进来发现transferIndex等于0,那就是任务分配完了。设置i = -1;advance = false;(i=-1这个很重要)
图文阅读ConcurrentHashMap源码,吊打面试官系列

再看什么时候会退出自旋

整个transfer方法看下来,只有这个if语句内有return语句。(忽略异常return)。上面一个点说到了当判断transferIndex等于0时说明任务分配完了,i = -1。还有就是while内 if (–i >= bound || finishing),–i递减到-1。才会满足以下条件。说明已经将所有任务分配完,并且当前线程的任务已经执行完。

//后面两个判断条件没看懂,有看懂的辛苦评论区告知
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
    int sc;
    //什么时候finishing会为true呢,只有执行了下面的CAS才会为true
    //所以先看看下面的额CAS干什么了
    //经过下面的CAS后,finishing设置为True,并且先设置i=n,进行下次循环
    //这个时候只有在--i到-1时,再进到这个if语句,也就是将所有元素再检查一遍后
    //才会再进到这个方法,这时finishing为true退出自旋,完成扩容。
    if (finishing) {
        nextTable = null;
        table = nextTab;
        sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
        return;
    }
    //CAS设置正在扩容的线程-1
    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
        //看不懂为什么这么操作,有知道的辛苦评论区告知
        if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
            return;
        //设置扩容已经结束
        finishing = advance = true;
        //把i重新设置为N,再重新检查一遍,结束本次循环
        i = n; // recheck before commit
    }
}

i = n,这个设定很巧妙。当所有任务都分配出去后,线程便会进到这个方法中,但是想退出自旋,完成扩容,还需要做最后一件事,检查一遍所有的桶是否都已经完成迁移。以及可能帮助承接最后一个任务的线程完成剩余作业。当检查完毕,–i到负数时,再次进入这个判断条件退出扩容。

帮助扩容的时机

在Put元素时如果节点的Hash为-1说明,正在扩容,而且该桶的元素已经发生了迁移,帮助扩容。helpTransfer跟addCount中判断帮助扩容差不多就不再进入helpTransfer函数了。

f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)
else if ((fh = f.hash) == MOVED) {
    tab = helpTransfer(tab, f);
}

在addCount后,需要扩容,并且已经有其他线程在扩容了(sizeCtl的值已经为负数了 )

if (sc < 0) {
    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
        transfer(tab, nextTable);
}

最后我们来大概的看看同步代码块中的代码

不是很重要,毕竟在synchronized中,是同步代码。其操作与HashMap中迁移数据类似
HashMap源码阅读

synchronized (f) {
    if (tabAt(tab, i) == f) {
        Node<K,V> ln, hn;
        if (fh >= 0) {
            //节点的hash值&table容量,要么等于0,要么不为0
            int runBit = fh & n;
            //记录节点,这个节点的意思代表后面的所有hash&N都跟lastRun一样了
            Node<K,V> lastRun = f;
            //遍历链表
            for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                int b = p.hash & n;
                //只要后一个节点的p.hash & n不等于前一个节点,就更新
                //这样在后面lastRun后面的节点都跟lastRun一致
                if (b != runBit) {
                    runBit = b;
                    lastRun = p;
                }
            }
            //如果runBit==0保留在原处的节点
            //这点在HashMap中有过说明
            if (runBit == 0) {
                ln = lastRun;
                hn = null;
            }else {
                //位置变为当前位置+table长度
                hn = lastRun;
                ln = null;
            }
            //将节点分开,但是终止条件是p != lastRun;因为lastRun节点后面的存放的位置与lastRun一致,在前面的代码已经处理过
            for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                int ph = p.hash; 
                K pk = p.key;
                V pv = p.val;
                //为什么ph & n==0就放在原处,否则i+n在hashmap一文中说过了,不再赘述
                if ((ph & n) == 0)
                    ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                else
                    hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
            }
            //具有volatile语义的设置节点到新的数组
            setTabAt(nextTab, i, ln);
            setTabAt(nextTab, i + n, hn);
            // 将旧的链表设置成占位符
            setTabAt(tab, i, fwd);
            advance = true;
        }
        //红黑树的拆分,后续在说红黑树时再分析
        else if (f instanceof TreeBin) {
            TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
            TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
            TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
            int lc = 0, hc = 0;
            for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                int h = e.hash;
                TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                    (h, e.key, e.val, null, null);
                if ((h & n) == 0) {
                    if ((p.prev = loTail) == null)
                        lo = p;
                    else
                        loTail.next = p;
                    loTail = p;
                    ++lc;
                }
                else {
                    if ((p.prev = hiTail) == null)
                        hi = p;
                    else
                        hiTail.next = p;
                    hiTail = p;
                    ++hc;
                }
            }
            //如果树的节点少于6需要转回链表
            ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
            hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
            setTabAt(nextTab, i, ln);
            setTabAt(nextTab, i + n, hn);
            setTabAt(tab, i, fwd);
            advance = true;
        }
    }
}

最后的最后做个总结

ConcurrentHashMap使用了volatile关键字保证线程之间可见性,以及CAS,synchronized来做到支持并发的。
其中Put方法时,先去判断table是否已经初始化,如果还未初始化线程CAS修改SIZECTL的值为-1进行初始化,如果此时其他线程读到SIZECTL为负数会让出Cpu的执行。
存放元素时如果table中相应位置为Null则会CAS修改节点,如果该节点的Hash值为-1说明正在扩容,并且这个桶已经扩容完成了就会帮助扩容。
如果CAS失败就会进入下一次的循环,这时如果该位置存在节点就用synchronized锁住这个节点再判断是红黑树结构还是链表结构插入元素。
在插入元素后要进行size+1操作,以及判断是否需要扩容。
在做size+1的操作时,先CAS修改BaseCount属性,如果修改失败就会转而去操作CounterCell数组,这样就把所有线程竞争baseCount变成了竞争baseCount和CounterCell数组中的每个节点。
当然如果线程之间竞争激烈会有线程CAS修改cellsBusy的值为1,去扩容CounterCell。
当执行完size+1操作后,计算map的size,将baseCount+CounterCell数组中每个节点的值,如果这个值大于map容量的0.75则需要扩容。
扩容支持多线程扩容,扩容第一步会为每个线程分配任务,需要处理桶的长度,线程会判断分配的任务范围下每个位置的节点的情况,如果是null CAS为ForwardingNode一个Hash值为-1的标识节点。
如果不为空也不为ForwardingNode节点,就用synchronized锁住头节点类似HashMap一样将元素移动到新的table。
当transferIndex=0时,说明任务分配完毕,会CAS设置SIZECTL-1代表正在扩容的线程-1,CAS成功后悔再检查一遍所有得元素是否都已经转移成功再退出扩容

本文地址:https://blog.csdn.net/wsdfym/article/details/109692519