## 1 ConcurrentHashMap 1.7 ConcurrentHashMap 是 Java1.5 中引用的一个**线程安全的支持高并发**的 HashMap 集合类。  如图所示：由 Segment 数组、HashEntry 组成，Segment 的个数是 **16** 个，源码如下所示： ```java //Segment 数组，存放数据时首先需要定位到具体的 Segment 中。 final Segment[] segments; transient Set keySet; transient Set> entrySet; //Segment 是 ConcurrentHashMap 的一个内部类 static final class Segment extends ReentrantLock implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L; //真正存放数据的桶 transient volatile HashEntry[] table; transient int count; transient int modCount; transient int threshold; final float loadFactor; } ``` ConcurrentHashMap 采用了**分段锁**技术， Segment 继承于 ReentrantLock，每当一个线程占用锁访问一个 Segment 时，不会影响到其他的 Segment。 ### 1.1 构造参数 ```java public ConcurrentHashMap() { //DEFAULT_INITIAL_CAPACITY 默认初始化容量 16 //DEFAULT_LOAD_FACTOR 默认负载因子 0.75f //DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL 默认并发级别 16 this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL); } @SuppressWarnings("unchecked") public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) { //校验参数 if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0) throw new IllegalArgumentException(); //校验并发级别大小，大于 1 << 16，重置为 65536 if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS; int sshift = 0; int ssize = 1; //这个循环可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值 while (ssize < concurrencyLevel) { ++sshift; ssize <<= 1; } //segmentShift 偏移量 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; //Segment 中的类似于 HashMap 的容量至少是2或者2的倍数 while (cap < c) cap <<= 1; // 创建 Segment 数组，设置 segments[0] Segment s0 = new Segment(loadFactor, (int)(cap * loadFactor), (HashEntry[])new HashEntry[cap]); Segment[] ss = (Segment[])new Segment[ssize]; UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); this.segments = ss; } ``` ### 1.2 put ```java public V put(K key, V value) { Segment s; if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key); int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask; if ((s = (Segment)UNSAFE.getObject (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //如果 Segment 为空，则初始化，实际通过 key 定位到 Segment s = ensureSegment(j); //在 Segment 中 put return s.put(key, hash, value, false); } //Segment.java inal V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { //1.tryLock():尝试获取锁 HashEntry node = tryLock() ? null : //2.scanAndLockForPut():自旋获取锁 scanAndLockForPut(key, hash, value); V oldValue; try { HashEntry[] tab = table; int index = (tab.length - 1) & hash; // CAS 获取 index 坐标的值 HashEntry first = entryAt(tab, index); for (HashEntry 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(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; } ``` 上面有两个比较重要的方法 tryLock() 和 canAndLockForPut()，意思就是尝试获取锁，如果获取失败肯定就有其他线程存在竞争，则利用 scanAndLockForPut() 自旋获取锁。 ```java private HashEntry scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) { //键值对的hash值定位到数组tab的第一个键值对 HashEntry first = entryForHash(this, hash); HashEntry e = first; HashEntry node = null; int retries = -1; //线程尝试通过CAS获取锁 while (!tryLock()) { HashEntry f; if (retries < 0) { if (e == null) { if (node == null) //初始化键值对，next指向null node = new HashEntry(hash, key, value, null); retries = 0; } else if (key.equals(e.key)) retries = 0; else e = e.next; } //超过最大自旋次数，阻塞 else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) { lock(); break; } //头节点发生变化，重新遍历 else if ((retries & 1) == 0 && (f = entryForHash(this, hash)) != first) { e = first = f; retries = -1; } } return node; } ``` 1. 通过 key ，获取当前 Segment 并定位到 HashEntry。 2. 遍历 HashEntry，如果不为空则判断传入的 key 和当前遍历的 key 是否相等，相等则覆盖旧的 value。 3. 不为空则新建 HashEntry 并加入到 Segment 中，同时会先判断是否需要扩容。 4. 最后解除 scanAndLockForPut() 中所获取当前 Segment 的锁。 ### 1.3 get ```java public V get(Object key) { Segment s; HashEntry[] tab; //hash 运算 int h = hash(key); long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE; if ((s = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null && (tab = s.table) != null) { for (HashEntry e = (HashEntry) UNSAFE.getObjectVolatile (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE); e != null; e = e.next) { K k; if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k))) return e.value; } } return null; } ``` 将 Key 通过 Hash 之后定位到具体的 Segment ，再通过一次 Hash 定位到具体的元素上。 HashEntry 中的 value 是用 volatile 关键词修饰的，保证内存可见性，每次获取时都是最新值。 ### 1.4 rehash ```java private void rehash(HashEntry node) { HashEntry[] oldTable = table; //老容量 int oldCapacity = oldTable.length; //新容量，扩大两倍 int newCapacity = oldCapacity << 1; //新的扩容阀值 threshold = (int)(newCapacity * loadFactor); //创建新的数组 HashEntry[] newTable = (HashEntry[]) new HashEntry[newCapacity]; int sizeMask = newCapacity - 1; for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) { HashEntry e = oldTable[i]; if (e != null) { HashEntry next = e.next; //计算新的位置 int idx = e.hash & sizeMask; if (next == null) //如果当前位置还不是链表，只是一个元素，直接赋值 newTable[idx] = e; else { //链表 HashEntry lastRun = e; int lastIdx = idx; for (HashEntry last = next; last != null; last = last.next) { int k = last.hash & sizeMask; if (k != lastIdx) { lastIdx = k; lastRun = last; } } //lastRun 后面的元素位置都是相同的，直接作为链表赋值到新位置。 newTable[lastIdx] = lastRun; for (HashEntry p = e; p != lastRun; p = p.next) { //遍历剩余元素，头插法到指定 k 位置。 V v = p.value; int h = p.hash; int k = h & sizeMask; HashEntry n = newTable[k]; newTable[k] = new HashEntry(h, p.key, v, n); } } } } //头插法插入新的节点 int nodeIndex = node.hash & sizeMask; node.setNext(newTable[nodeIndex]); newTable[nodeIndex] = node; table = newTable; } ``` ## 2 ConcurrentHashMap 1.8 1.7 已经解决了并发问题，并且能支持 N 个 Segment 这么多次数的并发，但是查询遍历链表效率太低，ConcurrentHashMap 1.8 抛弃 **Segment 分段锁**，而采用了 CAS + synchronized 来保证并发安全性。数据结构**Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表**也变成 **Node 数组 + 链表 / 红黑树**。  ### 2.1 put ```java public V put(K key, V value) { return putVal(key, value, false); } 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[] tab = table;;) { Node f; int n, i, fh; if (tab == null || (n = tab.length) == 0) //数组桶为空，初始化数组桶（自旋+CAS) tab = initTable(); else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { //CAS操作得到对应 table 中元素 if (casTabAt(tab, i, null,new Node(hash, key, value, null))) break; } else if ((fh = f.hash) == MOVED) tab = helpTransfer(tab, f); else { V oldVal = null; //加锁 synchronized (f) { if (tabAt(tab, i) == f) { // 链表 if (fh >= 0) { binCount = 1; //循环加入新的或者覆盖节点 for (Node 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 pred = e; if ((e = e.next) == null) { pred.next = new Node(hash, key, value, null); break; } } } else if (f instanceof TreeBin) { //红黑树 Node p; binCount = 2; if ((p = ((TreeBin)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; } ``` - 根据 key 计算出 hashcode 。 - 判断是否需要进行初始化。 - `f` 即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。 - 如果当前位置的 `hashcode == MOVED == -1`,则需要进行扩容。 - 如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。 - 如果数量大于 `TREEIFY_THRESHOLD` 则要转换为红黑树。 ### 2.2 get ```java public V get(Object key) { Node[] tab; Node 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，头结点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) //头结点hash值小于0，说明正在扩容或者是红黑树，find查找 return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null; while ((e = e.next) != null) { //链表，遍历查找 if (e.hash == h && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) return e.val; } } return null; } ``` 1. 根据 hash 值计算位置。 2. 查找到指定位置，如果头节点就是要找的，直接返回它的 value. 3. 如果头节点 hash 值小于 0 ，说明正在扩容或者是红黑树，查找之。 4. 如果是链表，遍历查找之。