本文基于JDK1.8源码。
简述
- ConcurrentHashMap是线程安全的HashMap实现，底层通过一个table（Node[]数组）维护hash槽。table的size会被强制设定为2的幂，负载因子默认为0.75，通过sizeCtl记录当前负载因子下扩容阈值。
- hash槽的计算通过hash值的高16位与低16位做^运算后，再和table的size做&运算计算而得。
- ConcurrentHashMap通过Unsafe+CAS+Sychronized+Node实现线程安全，在真正转移的时候都会使用sychronized进行加锁。
那些你不得不知道的节点
节点总览
Node
ForwordingNode、TreeBin、TreeNode的父类，核心的字段就是hash值、key、value和用于在链表中指向下一个节点的next。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V val;
volatile Node<K,V> next;
Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.val = val;
this.next = next;
}
...
}
ForwordingNode
hash值为-1，代表当前的table正在进行复制迁移，同时标识当前槽位的节点已经完成迁移工作。ConcurrentHashMap充分发挥每个线程的作用，当T1线程正在迁移时，其它线程如T2不一定自旋等待，根据当前迁移工作分配情况，可能会协助进行复制迁移（具体由CPU数量、table大小、迁移进度等决定）。
可以发现ForwardingNode的构造函数中调用父类的构造函数，有效参数只有hash值为MOVED(-1)，同时用nextTable指向扩容后的数组。
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
final Node<K,V>[] nextTable;
// 构造函数调用
ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
super(MOVED, null, null, null);
this.nextTable = tab;
}
...
}
TreeBin
hash值为-2，保存指向红黑树根节点的句柄root。同时保存原有链表的第一个元素first。
当一个槽位上的Node是TreeBin，这便代表着这个槽位长度已经超过8，并且将链表初始化为红黑树。
// 这里的入参为TreeBin的first变量
static <K,V> Node<K,V> untreeify(Node<K,V> b) {
Node<K,V> hd = null, tl = null;
for (Node<K,V> q = b; q != null; q = q.next) {
Node<K,V> p = new Node<K,V>(q.hash, q.key, q.val, null);
if (tl == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
return hd;
}
TreeNode
红黑树节点。在链表转化为红黑树后，由于TreeNode继承Node，所以依然保留了树化之前的链表关系，以便当节点数小于8时，重新转换为链表。
除了继承Node的属性外，另有代表红黑树特性的属性：parent指向父节点、left指向左节点、right指向右节点、布尔值red代表当前节点是红色还是黑色（根节点和叶子节点都是黑色）。
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;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next,
TreeNode<K,V> parent) {
super(hash, key, val, next);
this.parent = parent;
}
}
如何计算hash槽位
// 计算hash值 h为hashCode
// HASH_BITS值为(1<<31)-1 = Integer.MAX_VALUE = 0x7fffffff
// (高16位^低16位) & HASH_BITS
static final int spread(int h) {
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
...
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
// hash值和table的size-1 做&运算计算得到hash槽位的index
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
}
...
}
...
}
扩容还是转树
在ConcurretnHashMap中当一个槽位的元素数到达8后，会判断当前table的长度是否小于64，如果长度小于64会优先进行数组扩容。
初始化数组initTable
ConcurrentHashMap的数组为懒加载，在调用放置元素之前不会初始化table。当sizeCtl为-1，表示有线程正在初始化table。
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
// 确认table还未初始化
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
// 如果sizeCtl<0, 表示当前线程在初始化竞争中失败，自旋等待（yield会放弃CPU时间片）
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
//SIZECTL：表示当前对象的内存偏移量，sc表示期望值，-1表示要替换的值，设定为-1表示要初始化表了
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;
// 这里sc赋值为3/4的数组长度
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
put(K key, V value, boolean onlyIfAbsent)
注意扩容包括，数组扩容和对应位置的树化。根据源码可以发现在添加元素的时候有大致四种情况：
- 数组尚未初始化，需要先初始化。可能同时存在一个线程也在put，这时候，两个线程会竞争下初始化数组的权利，失败的yield()自旋等待。
- 数组已经初始化，对应hash槽没有元素，通过CAS操作添加节点。值得注意的是，往空槽加元素的时候不会加锁。
- 数组正在扩容复制数据，当前线程会帮忙复制数据，帮忙前会判断nextTab是否已经初始化。
- 数组已经初始化完成，没有在扩容复制数据，对应hash槽非空。很好，又有两种情况，hash槽对应的仍然是链表，或者已经树化。
- 仍然是链表：遍历链表，替换旧值（非putIfAbsent）。没有旧值，就把元素放到最后。同时更新binCount，后续判断是否需要树化。
- 已经树化：设置binCount=2，避免无效树化。调用putTreeVal()获取待更新节点。
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
// 计算hash值
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 构造函数中不会初始化table，在初次使用时进行初始化数组
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
// 数组已经初始化，并且对应位置无元素，直接放进去
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
}
// 上个判断中获得了目标位置的节点，如果hash值为MOVED，
// 代表当前正在进行扩容的数据复制阶段，当前线程也会参与，
// 允许多线程复制的功能,来减少数组的复制所带来的性能损失
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
// fh>0 还是链表 转为树的时候是-2
if (fh >= 0) {
// 对应位置节点不为null，
binCount = 1;
// 开始遍历链表，直到找到对应
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
// 根据hash值找到对应的key位置，如果不是putIfAbsent就进行value替换
// 记下oldValue用于返回
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
// 没找到原有值，且已经到队列尾巴，直接加到末尾
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
// 当前hash槽对应的是树
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
// 这里设置为2，确保后面不会树化？
binCount = 2;
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
// 因为是put方法，所以对应hash槽的元素会+1或不变，必不可能减少
// 只需要考虑是否要树化
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
// size加1，里面很复杂。。
addCount(1L, binCount);
return null;
}
决定是扩容还是树化treeifyBin()
决定树化会加锁。
private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
Node<K,V> b; int n, sc;
if (tab != null) {
// 判断数组长度是否小于64 ，小于64就扩容数组
if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
tryPresize(n << 1);
// 数组已经达到MIN_TREEIFY_CAPACITY，决定树化
else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
// 对数组对应索引的根节点加锁
synchronized (b) {
// 确保当前节点仍然是第一个节点
if (tabAt(tab, index) == b) {
// 这里拷贝了一份链表，并把节点换成TreeNode（left,right未初始化）
// 真正初始化操作在setTabAt
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
TreeNode<K,V> p =
new TreeNode<K,V>(e.hash, e.key, e.val,
null, null);
if ((p.prev = tl) == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
// 树化操作，赋值left right
setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
}
}
}
}
}
putTreeNode
final TreeNode<K,V> putTreeVal(int h, K k, V v) {
Class<?> kc = null;
boolean searched = false;
for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
int dir, ph; K pk;
if (p == null) {
// 对应位置没有节点，直接放
first = root = new TreeNode<K,V>(h, k, v, null, null);
break;
}
else if ((ph = p.hash) > h)
// hash值比当前节点小 之后找left节点
dir = -1;
else if (ph < h)
// hash值比当前节点大 之后找right节点
dir = 1;
// 到这里代表hash值相等，到达目标位，返回当前值
else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk)))
return p;
else if ((kc == null &&
(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
if (!searched) {
TreeNode<K,V> q, ch;
searched = true;
if (((ch = p.left) != null &&
(q = ch.findTreeNode(h, k, kc)) != null) ||
((ch = p.right) != null &&
(q = ch.findTreeNode(h, k, kc)) != null))
return q;
}
dir = tieBreakOrder(k, pk);
}
TreeNode<K,V> xp = p;
if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {
TreeNode<K,V> x, f = first;
first = x = new TreeNode<K,V>(h, k, v, f, xp);
if (f != null)
f.prev = x;
if (dir <= 0)
xp.left = x;
else
xp.right = x;
if (!xp.red)
x.red = true;
else {
lockRoot();
try {
root = balanceInsertion(root, x);
} finally {
unlockRoot();
}
}
break;
}
}
assert checkInvariants(root);
return null;
}
tryPresize()扩容数组
private final void tryPresize(int size) {
int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);
int sc;
while ((sc = sizeCtl) >= 0) {
Node<K,V>[] tab = table; int n;
// 整个table尚未初始化，在putAll方法中，直接会调用tryPresize，
// 所以在这里需要判断tab是否已经初始化
// 初始化后，把sizeCtl设置为0.75的数组长度
if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
n = (sc > c) ? sc : c;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
if (table == tab) {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = nt;
// 这里设置sizeCtl为0.75的size
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
// 更新sizeCtl
sizeCtl = sc;
}
}
}
// 什么情况会到这里？已经初始化过table，并且新增的元素数量并没有超过0.75数组长度
else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
break; // 此时c已经过时，或者c已经超过最大值，无法再resize
else if (tab == table) {
int rs = resizeStamp(n);
/*
* 如果正在扩容Table的话，则帮助扩容，支路①
* 否则的话，在支路②开始新的扩容
* 在transfer操作，将第一个参数的table中的元素，移动到第二个元素的table中去，
* 虽然此时第二个参数设置的是null，但是，在transfer方法中，当第二个参数为null的时候，
* 会创建一个两倍大小的table
*/
// ①
if (sc < 0) {
Node<K,V>[] nt;
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
transfer(tab, nt);
}
// ②
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);
}
}
}
扩容的核心方法transfer()
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
// 这里对stride有最小值限制，避免占用太多CPU资源
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
if (nextTab == null) { // initiating
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
// 如果传入的nextTab是null（tryPresize中存在这种情况）
// nextTab初始化为原tab长度的2倍
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
for (int i = 0, bound = 0;;) {
Node<K,V> f; int fh;
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;
}
}
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
}
}
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
advance = true; // already processed
else {
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
if (fh >= 0) {
int runBit = fh & n;
Node<K,V> lastRun = f;
for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
int b = p.hash & n;
if (b != runBit) {
runBit = b;
lastRun = p;
}
}
if (runBit == 0) {
ln = lastRun;
hn = null;
}
else {
hn = lastRun;
ln = null;
}
for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
if ((ph & n) == 0)
ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
else
hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
}
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
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;
}
}
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;
}
}
}
}
}
}
