Java集合框架中的Map类型的数据结构是非线程安全, 在多线程环境中使用时需要手动进行线程同步. 因此在java.util.concurrent包中提供了一个线程安全版本的Map类型数据结构: ConcurrentMap. 本篇文章主要关注ConcurrentMap接口以及它的Hash版本的实现ConcurrentHashMap.
要实现线程安全,就需要加锁, HashTable就是线程安全的, 但是HashTable对整张表加锁的做法非常消耗性能, ConcurrentMap的做法简单来说, 就是把哈希表分成若干段, 对其中某一段操作时, 只锁住这一段, 其他段可以不受影响. 如下图所示:
整个ConcurrentMap由一个segment数组组成(即segments), 数组中每一个segment是一张哈希表, 哈希表中存放的是一张hashentry链表.
本文主要分析以下两个过程:
1.ConcurrentMap的构造方法
2.put(K key, V value)
ConcurrentMap的构造方法
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel);
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor);
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity);
public ConcurrentHashMap();
public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m);
这5种构造方法, 最终都会使用第一个构造函数来初始化ConcurrentHashMap.
第一个构造函数的代码:
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
int sshift = 0;
int ssize = 1;
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
this.segmentShift = 32 - sshift;
this.segmentMask = ssize - 1;
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
// create segments and 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;
}
其中concurrencyLevel是实例化以后就不可改变的, 它决定了segments数组的大小, 同时决定了这个ConcurrentHashMap的并发能力.segmentShift和segmentMask与hash算法相关.loadFactor参数决定了Segment在何时扩容.
ConcurrentHashMap的put方法
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}
过程如下:
1.通过第一次哈希算法,计算当前key属于哪一个segment;
2.如果映射到的segment为空, 则执行3, 否则执行4;
3.借助UNSAFE类, 使用线程安全的方式, 构建一个新的segment, 并且放入segments中相应的位置;
4.调用segment中的put方法, 将key, value对放入segment中.
从中可以看到, 最终存储key,value对的是segment, 因此只要对需要插入键值对的segment上锁就可以保证线程安全.
segment的put方法
首先看segment的定义, 它是ConcurrentHashMap的内部类, 该类继承了ReentrantLock.
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {}
查看它的构造方法:
Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {
this.loadFactor = lf;
this.threshold = threshold;
this.table = tab;
}
Segment的主要构成是一张哈希表(存储hashentry)和threshold(当哈希表尺寸大于threshold时扩容).
下面是它的put方法:
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
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 {
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
put方法的主要流程如下:
1.尝试获取当前segment的锁,若成功则执行3, 若失败则执行2;
2.根据key在hashtable中搜索hashentry, 并且获取锁(此处会进行阻塞操作);
3.根据key在hashtable中搜索hashentry,如果当前位置已经存在值, 则使用链接的方式解决冲突;
4.如果当前尺寸超过了threshold,则执行rehash(将segment中的所有键值对重新hash).
总结
ConcurrentHashMap的实现,主要原理就是使用segments将原本唯一的hashtable分段, 增加并发能力. ConcurrentHashMap中还有比较重要的一点就是使用的两次哈希算法(第一次哈希算法找到segment, 第二次哈希算法找到hashentry), 这两次哈希算法要求能尽量将元素均匀的分布到不同的segment的hashtable中, ConcurrentHashMap使用的是single-word Wang/Jenkins哈希算法的一个变种, 关于哈希算法, 可以看此处(http://burtleburtle.net/bob/hash/doobs.html) 进一步了解.
