翻了ConcurrentHashMap1.7 和1.8的原始碼,我總結了它們的主要區別。

語言: CN / TW / HK

ConcurrentHashMap

思考:HashTable是執行緒安全的,為什麼不推薦使用?

HashTable是一個執行緒安全的類,它使用synchronized來鎖住整張Hash表來實現執行緒安全,即每次鎖住整張表讓執行緒獨佔,相當於所有執行緒進行讀寫時都去競爭一把鎖,導致效率非常低下。

1 ConcurrentHashMap 1.7

在JDK1.7中ConcurrentHashMap採用了陣列+分段鎖的方式實現

Segment(分段鎖)-減少鎖的粒度

ConcurrentHashMap中的分段鎖稱為Segment,它即類似於HashMap的結構,即內部擁有一個Entry陣列,陣列中的每個元素又是一個連結串列,同時又是一個ReentrantLock(Segment繼承了ReentrantLock)。

1.儲存結構

Java 7 版本 ConcurrentHashMap 的儲存結構如圖:

file file ConcurrnetHashMap 由很多個 Segment 組合,而每一個 Segment 是一個類似於 HashMap 的結構,所以每一個 HashMap 的內部可以進行擴容。但是 Segment 的個數一旦初始化就不能改變,預設 Segment 的個數是 16 個,所以可以認為 ConcurrentHashMap 預設支援最多 16 個執行緒併發。

2. 初始化

通過 ConcurrentHashMap 的無參構造探尋 ConcurrentHashMap 的初始化流程。

    /**
     * Creates a new, empty map with a default initial capacity (16),
     * load factor (0.75) and concurrencyLevel (16).
     */
    public ConcurrentHashMap() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
    }

無參構造中呼叫了有參構造,傳入了三個引數的預設值,他們的值是。

    /**
     * 預設初始化容量,這個容量指的是Segment 的大小
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 預設負載因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * 預設併發級別,併發級別指的是Segment桶的個數,預設是16個併發大小
     */
    static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

Segment下面entryset陣列的大小是用DEFAULT_INITIAL_CAPACITY/DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL求出來的。

接著看下這個有參建構函式的內部實現邏輯。

@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    // 引數校驗
    if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 校驗併發級別大小,大於 1<<16,重置為 65536
    if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
        concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
    // Find power-of-two sizes best matching arguments
    // 2的多少次方
    int sshift = 0;//控制segment陣列的大小
    int ssize = 1;
    // 這個迴圈可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值
    while (ssize < concurrencyLevel) {
        ++sshift;//代表ssize左移的次數
        ssize <<= 1;
    }
    // 記錄段偏移量
    this.segmentShift = 32 - sshift;
    // 記錄段掩碼
    this.segmentMask = ssize - 1;
    // 設定容量   判斷初始容量是否超過允許的最大容量
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    // c = 容量 / ssize ,預設 16 / 16 = 1,這裡是計算每個 Segment 中的類似於 HashMap 的容量
   //求entrySet陣列的大小,這個地方需要保證entrySet陣列的大小至少可以儲存下initialCapacity的容量,假設initialCapacity為33,ssize為16,那麼c=2,所以if語句是true,那麼c=3,MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY初始值是2,所以if語句成立,那麼cap=4,所以每一個segment的容量初始為4,segment為16,16*4>33成立,entrySet陣列的大小也需要是2的冪次方
    int c = initialCapacity / ssize;
    if (c * ssize < initialCapacity)
        ++c;
    int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
    //Segment 中的類似於 HashMap 的容量至少是2或者2的倍數
    while (cap < c)
        cap <<= 1;
    // create segments and segments[0]
    // 建立 Segment 陣列,設定 segments[0]
    Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                         (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
    Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
    UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
    this.segments = ss;
}

總結一下在 Java 7 中 ConcurrnetHashMap 的初始化邏輯。

  1. 必要引數校驗。
  2. 校驗併發級別 concurrencyLevel 大小,如果大於最大值,重置為最大值。無參構造預設值是 16.
  3. 尋找併發級別 concurrencyLevel 之上最近的 2 的冪次方值,作為初始化容量大小,預設是 16
  4. 記錄 segmentShift 偏移量,這個值為【容量 = 2 的N次方】中的 N,在後面 Put 時計算位置時會用到。預設是 32 - sshift = 28.
  5. 記錄 segmentMask,預設是 ssize - 1 = 16 -1 = 15.
  6. 初始化 segments[0]預設大小為 2負載因子 0.75擴容閥值是 2*0.75=1.5,插入第二個值時才會進行擴容。
  1. 計算segment陣列容量的大小。
  2. 計算entrySet陣列的大小。
  3. 初始化segment陣列,其中生成一個s0物件放在陣列的第0個位置
  4. 為什麼首先需要一個s0儲存到陣列的第一個位置?

因為初始化陣列完成後陣列元素都還是null值,以後每一次新增一個元素的話,需要封裝為entrySet物件,還需要對entrySet陣列的大小重新計算,如果把第一次的計算結果全部儲存到S0中,那麼以後的話只需要直接拿來使用即可,不需要重新計算。雖然Segment物件不同,但是物件中屬性內容其實是一樣的。

  1. Segment陣列的長度第一次已經確定,以後不會在改變,擴容是區域性擴容,只對setrySet陣列的容量進行擴容。

3. put

接著上面的初始化引數繼續檢視 put 方法原始碼。

/**
 * Maps the specified key to the specified value in this table.
 * Neither the key nor the value can be null.
 *
 * <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method
 * with a key that is equal to the original key.
 *
 * @param key key with which the specified value is to be associated
 * @param value value to be associated with the specified key
 * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
 *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>
 * @throws NullPointerException if the specified key or value is null
 */
public V put(K key, V value) {
    Segment<K,V> s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    // hash 值無符號右移 28位(初始化時獲得),然後與 segmentMask=15 做與運算
    // 其實也就是把高4位與segmentMask(1111)做與運算
  
  // this.segmentMask = ssize - 1;
   //對hash值進行右移segmentShift位,計算元素對應segment中陣列下表的位置
   //把hash右移segmentShift,相當於只要hash值的高32-segmentShift位,右移的目的是保留了hash值的高位。然後和segmentMask與操作計算元素在segment陣列中的下表
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
   //使用unsafe物件獲取陣列中第j個位置的值,後面加上的是偏移量
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
         (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
        // 如果查詢到的 Segment 為空,初始化
        s = ensureSegment(j);
   //插入segment物件
    return s.put(key, hash, value, false);
}

/**
 * Returns the segment for the given index, creating it and
 * recording in segment table (via CAS) if not already present.
 *
 * @param k the index
 * @return the segment
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
    final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
    long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
    Segment<K,V> seg;
    // 判斷 u 位置的 Segment 是否為null
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
        Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
        // 獲取0號 segment 裡的 HashEntry<K,V> 初始化長度
        int cap = proto.table.length;
        // 獲取0號 segment 裡的 hash 表裡的擴容負載因子,所有的 segment 的 loadFactor 是相同的
        float lf = proto.loadFactor;
        // 計算擴容閥值
        int threshold = (int)(cap * lf);
        // 建立一個 cap 容量的 HashEntry 陣列
        HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
        if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck
            // 再次檢查 u 位置的 Segment 是否為null,因為這時可能有其他執行緒進行了操作
            Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
            // 自旋檢查 u 位置的 Segment 是否為null
            while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
                   == null) {
                // 使用CAS 賦值,只會成功一次
                if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
                    break;
            }
        }
    }
    return seg;
}

上面的原始碼分析了 ConcurrentHashMap 在 put 一個數據時的處理流程,下面梳理下具體流程。

  1. 計算要 put 的 key 的位置,獲取指定位置的 Segment。

  2. 如果指定位置的 Segment 為空,則初始化這個 Segment.

    初始化 Segment 流程:

    1. 檢查計算得到的位置的 Segment 是否為null.
    2. 為 null 繼續初始化,使用 Segment[0] 的容量和負載因子建立一個 HashEntry 陣列。
    3. 再次檢查計算得到的指定位置的 Segment 是否為null.
    4. 使用建立的 HashEntry 陣列初始化這個 Segment.
    5. 自旋判斷計算得到的指定位置的 Segment 是否為null,使用 CAS 在這個位置賦值為 Segment.
  3. Segment.put 插入 key,value 值。

上面探究了獲取 Segment 段和初始化 Segment 段的操作。最後一行的 Segment 的 put 方法還沒有檢視,繼續分析。

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 獲取 ReentrantLock 獨佔鎖,獲取不到,scanAndLockForPut 獲取。
    HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
    V oldValue;
    try {
        HashEntry<K,V>[] tab = table;
        // 計算要put的資料位置
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        // CAS 獲取 index 座標的值
        HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
        for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
            if (e != null) {
                // 檢查是否 key 已經存在,如果存在,則遍歷連結串列尋找位置,找到後替換 value
                K k;
                if ((k = e.key) == key ||
                    (e.hash == hash && key.equals(k))) {
                    oldValue = e.value;
                    if (!onlyIfAbsent) {
                        e.value = value;
                        ++modCount;
                    }
                    break;
                }
                e = e.next;
            }
            else {
                // first 有值沒說明 index 位置已經有值了,有衝突,連結串列頭插法。
                if (node != null)
                    node.setNext(first);
                else
                    node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
                int c = count + 1;
                // 容量大於擴容閥值,小於最大容量,進行擴容
                if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                    rehash(node);
                else
                    // index 位置賦值 node,node 可能是一個元素,也可能是一個連結串列的表頭
                    setEntryAt(tab, index, node);
                ++modCount;
                count = c;
                oldValue = null;
                break;
            }
        }
    } finally {
        unlock();
    }
    return oldValue;
}

由於 Segment 繼承了 ReentrantLock,所以 Segment 內部可以很方便的獲取鎖,put 流程就用到了這個功能。

  1. tryLock() 獲取鎖,獲取不到使用 scanAndLockForPut 方法繼續獲取。

  2. 計算 put 的資料要放入的 index 位置,然後獲取這個位置上的 HashEntry 。

  3. 遍歷 put 新元素,為什麼要遍歷?因為這裡獲取的 HashEntry 可能是一個空元素,也可能是連結串列已存在,所以要區別對待。

    如果這個位置上的 HashEntry 不存在

    1. 如果當前容量大於擴容閥值,小於最大容量,進行擴容
    2. 直接頭插法插入。

    如果這個位置上的 HashEntry 存在

    1. 判斷連結串列當前元素 Key 和 hash 值是否和要 put 的 key 和 hash 值一致。一致則替換值
    2. 不一致,獲取連結串列下一個節點,直到發現相同進行值替換,或者連結串列表裡完畢沒有相同的。
      1. 如果當前容量大於擴容閥值,小於最大容量,進行擴容
      2. 直接連結串列頭插法插入。
  4. 如果要插入的位置之前已經存在,替換後返回舊值,否則返回 null.

這裡面的第一步中的 scanAndLockForPut 操作這裡沒有介紹,這個方法做的操作就是不斷的自旋 tryLock() 獲取鎖。當自旋次數大於指定次數時,使用 lock() 阻塞獲取鎖。在自旋時順表獲取下 hash 位置的 HashEntry。

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
    // 自旋獲取鎖
    while (!tryLock()) {
        HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
        if (retries < 0) {
            if (e == null) {
                if (node == null) // speculatively create node
                    node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
                retries = 0;
            }
            else if (key.equals(e.key))
                retries = 0;
            else
                e = e.next;
        }
        else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
            // 自旋達到指定次數後,阻塞等到只到獲取到鎖
            lock();
            break;
        }
        else if ((retries & 1) == 0 &&
                 (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
            e = first = f; // re-traverse if entry changed
            retries = -1;
        }
    }
    return node;
}

4. 擴容 rehash

ConcurrentHashMap 的擴容只會擴容到原來的兩倍。老數組裡的資料移動到新的陣列時,位置要麼不變,要麼變為 index+ oldSize,引數裡的 node 會在擴容之後使用連結串列頭插法插入到指定位置。

private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
    HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
    // 老容量
    int oldCapacity = oldTable.length;
    // 新容量,擴大兩倍
    int newCapacity = oldCapacity << 1;
    // 新的擴容閥值 
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
    // 建立新的陣列
    HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
    // 新的掩碼,預設2擴容後是4,-1是3,二進位制就是11。
    int sizeMask = newCapacity - 1;
    for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
        // 遍歷老陣列
        HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
        if (e != null) {
            HashEntry<K,V> next = e.next;
            // 計算新的位置,新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
            int idx = e.hash & sizeMask;
            if (next == null)   //  Single node on list
                // 如果當前位置還不是連結串列,只是一個元素,直接賦值
                newTable[idx] = e;
            else { // Reuse consecutive sequence at same slot
                // 如果是連結串列了
                HashEntry<K,V> lastRun = e;
                int lastIdx = idx;
                // 新的位置只可能是不便或者是老的位置+老的容量。
                // 遍歷結束後,lastRun 後面的元素位置都是相同的
                for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) {
                    int k = last.hash & sizeMask;
                    if (k != lastIdx) {
                        lastIdx = k;
                        lastRun = last;
                    }
                }
                // ,lastRun 後面的元素位置都是相同的,直接作為連結串列賦值到新位置。
                newTable[lastIdx] = lastRun;
                // Clone remaining nodes
                for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
                    // 遍歷剩餘元素,頭插法到指定 k 位置。
                    V v = p.value;
                    int h = p.hash;
                    int k = h & sizeMask;
                    HashEntry<K,V> n = newTable[k];
                    newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
                }
            }
        }
    }
    // 頭插法插入新的節點
    int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
    node.setNext(newTable[nodeIndex]);
    newTable[nodeIndex] = node;
    table = newTable;
}

有些同學可能會對最後的兩個 for 迴圈有疑惑,這裡第一個 for 是為了尋找這樣一個節點,這個節點後面的所有 next 節點的新位置都是相同的。然後把這個作為一個連結串列賦值到新位置。第二個 for 迴圈是為了把剩餘的元素通過頭插法插入到指定位置連結串列。這樣實現的原因可能是基於概率統計,有深入研究的同學可以發表下意見。

5. get

到這裡就很簡單了,get 方法只需要兩步即可。

  1. 計算得到 key 的存放位置。
  2. 遍歷指定位置查詢相同 key 的 value 值。
public V get(Object key) {
    Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
    HashEntry<K,V>[] tab;
    int h = hash(key);
    long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
    // 計算得到 key 的存放位置
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
        (tab = s.table) != null) {
        for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
                 (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
             e != null; e = e.next) {
            // 如果是連結串列,遍歷查詢到相同 key 的 value。
            K k;
            if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
                return e.value;
        }
    }
    return null;
}

2 ConcurrentHashMap 1.8

1. 儲存結構

file

可以發現 Java8 的 ConcurrentHashMap 相對於 Java7 來說變化比較大,不再是之前的 Segment 陣列 + HashEntry 陣列 + 連結串列,而是 Node 陣列 + 連結串列 / 紅黑樹。當衝突連結串列達到一定長度時,連結串列會轉換成紅黑樹。

補充:CAS

CAS(Compare-and-Swap/Exchange),即比較並替換,是一種實現併發常用到的技術。

CAS核心演算法:執行函式:CAS(V,E,N)

V表示準備要被更新的變數 (記憶體的值)      
E表示我們提供的 期望的值 (期望的原值)
N表示新值 ,準備更新V的值 (新值)

演算法思路:V是共享變數,我們拿著自己準備的這個E,去跟V去比較,如果E == V ,說明當前沒有其它執行緒在操作,所以,我們把N 這個值 寫入物件的 V 變數中。如果 E != V ,說明我們準備的這個E,已經過時了,所以我們要重新準備一個最新的E ,去跟V 比較,比較成功後才能更新 V的值為N。

file

如果多個執行緒同時使用CAS操作一個變數的時候,只有一個執行緒能夠修改成功。其餘的執行緒提供的期望值已經與共享變數的值不一樣了,所以均會失敗。

   由於CAS操作屬於樂觀派,它總是認為自己能夠操作成功,所以操作失敗的執行緒將會再次發起操作,而不是被OS掛起。所以說,即使CAS操作沒有使用同步鎖,其它執行緒也能夠知道對共享變數的影響。

    因為其它執行緒沒有被掛起,並且將會再次發起修改嘗試,所以無鎖操作即CAS操作天生免疫死鎖。

    另外一點需要知道的是,CAS是系統原語,CAS操作是一條CPU的原子指令,所以不會有執行緒安全問題。

ABA問題:E和E2對比相同是不能保證百分百保證,其他執行緒沒有在自己執行緒執行計算的過程裡搶鎖成功過。有可能其他執行緒操作後新E值和舊E值一樣!

ABA問題解決:在E物件里加個操作次數變數就行,每次判斷時對比兩個,E和操作次數就OK了,因為ABA問題中就算E相同操作次數也絕不相同

2. 初始化 initTable

/**
 * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
 */
private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        //如果 sizeCtl < 0 ,說明另外的執行緒執行CAS 成功,正在進行初始化。
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            // 讓出 CPU 使用權
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            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;
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

從原始碼中可以發現 ConcurrentHashMap 的初始化是通過自旋和 CAS 操作完成的。裡面需要注意的是變數 sizeCtl ,它的值決定著當前的初始化狀態。

  1. -1 說明正在初始化
  2. -N 說明有N-1個執行緒正在進行擴容
  3. 表示 table 初始化大小,如果 table 沒有初始化
  4. 表示 table 容量,如果 table 已經初始化。

3. put

直接過一遍 put 原始碼。

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) {
    // key 和 value 不能為空
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        // f = 目標位置元素
        Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 後面存放目標位置的元素 hash 值
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            // 陣列桶為空,初始化陣列桶(自旋+CAS)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 桶內為空,CAS 放入,不加鎖,成功了就直接 break 跳出
            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)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 使用 synchronized 加鎖加入節點
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 說明是連結串列
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        // 迴圈加入新的或者覆蓋節點
                        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;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        // 紅黑樹
                        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) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}
  1. 根據 key 計算出 hashcode 。
  2. 判斷是否需要進行初始化。
  3. 即為當前 key 定位出的 Node,如果為空表示當前位置可以寫入資料,利用 CAS 嘗試寫入,失敗則自旋保證成功。
  4. 如果當前位置的 hashcode == MOVED == -1,則需要進行擴容。
  5. 如果都不滿足,則利用 synchronized 鎖寫入資料。
  6. 如果數量大於 TREEIFY_THRESHOLD 則要轉換為紅黑樹。

4. get

get 流程比較簡單,直接過一遍原始碼。

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    // key 所在的 hash 位置
    int h = spread(key.hashCode());
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
        // 如果指定位置元素存在,頭結點hash值相同
        if ((eh = e.hash) == h) {
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                // key hash 值相等,key值相同,直接返回元素 value
                return e.val;
        }
        else if (eh < 0)
            // 頭結點hash值小於0,說明正在擴容或者是紅黑樹,find查詢
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {
            // 是連結串列,遍歷查詢
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

總結一下 get 過程:

  1. 根據 hash 值計算位置。
  2. 查詢到指定位置,如果頭節點就是要找的,直接返回它的 value.
  3. 如果頭節點 hash 值小於 0 ,說明正在擴容或者是紅黑樹,查詢之。
  4. 如果是連結串列,遍歷查詢之。

3 總結

Java7 中 ConcurrentHashMap 使用的分段鎖,也就是每一個 Segment 上同時只有一個執行緒可以操作,每一個 Segment 都是一個類似 HashMap 陣列的結構,它可以擴容,它的衝突會轉化為連結串列。但是 Segment 的個數一但初始化就不能改變。

Java8 中的 ConcurrentHashMap 使用的 Synchronized 鎖加 CAS 的機制。結構也由 Java7 中的 Segment 陣列 + HashEntry 陣列 + 連結串列 進化成了 Node 陣列 + 連結串列 / 紅黑樹,Node 是類似於一個 HashEntry 的結構。它的衝突再達到一定大小時會轉化成紅黑樹,在衝突小於一定數量時又退回連結串列。

本文由傳智教育博學谷教研團隊釋出。

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