Java源码解析之ConcurrentHashMap

Java源码解析之ConcurrentHashMap

早期 ConcurrentHashMap，其实现是基于：

分离锁，也就是将内部进行分段（Segment），里面则是 HashEntry 的数组，和 HashMap 类似，哈希相同的条目也是以链表形式存放。

HashEntry 内部使用 volatile 的 value 字段来保证可见性，也利用了不可变对象的机制以改进利用 Unsafe 提供的底层能力，比如 volatile access，去直接完成部分操作，以最优化性能，毕竟 Unsafe 中的很多操作都是 JVM intrinsic 优化过的。

在进行并发操作的时候，只需要锁定相应段，这样就有效避免了类似 Hashtable 整体同步的问题，大大提高了性能。

Put操作

通过二次哈希避免哈希冲突，然后以 Unsafe 调用方式，直接获取相应的 Segment，然后进行线程安全的 put 操作

public V put(K key, V value) {

        Segment s;

        if (value == null)

            throw new NullPointerException();

        // 二次哈希，以保证数据的分散性，避免哈希冲突

        int hash = hash(key.hashCode());

        int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;

        if ((s = (Segment)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck

             (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment

            s = ensureSegment(j);

        return s.put(key, hash, value, false);

    }

其核心逻辑实现在下面的内部方法中：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {

            // scanAndLockForPut 会去查找是否有 key 相同 Node

            // 无论如何，确保获取锁

            HashEntry node = tryLock() ? null :

                scanAndLockForPut(key, hash, value);

            V oldValue;

            try {

                HashEntry[] tab = table;

                int index = (tab.length - 1) & hash;

                HashEntry first = entryAt(tab, index);

                for (HashEntry e = first;;) {

                    if (e != null) {

                        K k;

                        // 更新已有 value...

                    }

                    else {

                        // 放置 HashEntry 到特定位置，如果超过阈值，进行 rehash

                        // ...

                    }

                }

            } finally {

                unlock();

            }

            return oldValue;

        }

在写的时候：

ConcurrentHashMap 会获取再入锁，以保证数据一致性，Segment 本身就是基于 ReentrantLock 的扩展实现，所以，在并发修改期间，相应 Segment 是被锁定的。

在最初阶段，进行重复性的扫描，以确定相应 key 值是否已经在数组里面，进而决定是更新还是放置操作。

在 ConcurrentHashMap 中解决扩容的问题，不是整体的扩容，而是单独对 Segment 进行扩容。

为了减少锁定segment的开销，ConcurrentHashMap 的实现是通过重试机制（RETRIES_BEFORE_LOCK，指定重试次数 2），来试图获得可靠值。如果没有监控到发生变化（通过对比 Segment.modCount），就直接返回，否则获取锁进行操作。

机制在java 8 上的变化：

总体结构上，它的内部存储与HashMap 结构非常相似，同样是大的桶（bucket）数组，然后内部也是一个个所谓的链表结构（bin），同步的粒度要更细致一些。

其内部仍然有 Segment 定义，但仅仅是为了保证序列化时的兼容性而已，不再有任何结构上的用处。

因为不再使用 Segment，初始化操作大大简化，修改为 lazy-load 形式，这样可以有效避免初始开销。

数据存储利用 volatile 来保证可见性。

使用 CAS (Compare And Swap)等操作，在特定场景进行无锁并发操作。

使用 Unsafe、LongAdder 之类底层手段，进行极端情况的优化。

看看在java8上的put操作

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; K fk; V fv;

        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)

            tab = initTable();

        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {

            // 利用 CAS 去进行无锁线程安全操作，如果 bin 是空的

            if (casTabAt(tab, i, null, new Node(hash, key, value)))

                break;

        }

        else if ((fh = f.hash) == MOVED)

            tab = helpTransfer(tab, f);

        else if (onlyIfAbsent // 不加锁，进行检查

                 && fh == hash

                 && ((fk = f.key) == key || (fk != null && key.equals(fk)))

                 && (fv = f.val) != null)

            return fv;

        else {

            V oldVal = null;

            synchronized (f) {

                   // 细粒度的同步修改操作...

                }

            }

            // Bin 超过阈值，进行树化

            if (binCount != 0) {

                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)

                    treeifyBin(tab, i);

                if (oldVal != null)

                    return oldVal;

                break;

            }

        }

    }

    addCount(1L, binCount);

    return null;

}

初始化操作实现在 initTable 里面，这是一个典型的 CAS 使用场景，利用 volatile 的 sizeCtl 作为互斥手段：如果发现竞争性的初始化，就 spin 在那里，等待条件恢复；否则利用 CAS 设置排他标志。如果成功则进行初始化；否则重试。

private final Node[] initTable() {

    Node[] tab; int sc;

    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {

        // 如果发现冲突，进行 spin 等待

        if ((sc = sizeCtl) < 0)

            Thread.yield();

        // CAS 成功返回 true，则进入真正的初始化逻辑

        else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {

            try {

                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {

                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;

                    @SuppressWarnings("unchecked")

                    Node[] nt = (Node[])new Node,?>[n];

                    table = tab = nt;

                    sc = n - (n >>> 2);

                }

            } finally {

                sizeCtl = sc;

            }

            break;

        }                                                          

    }

    return tab;

}

当 bin 为空时，同样是没有必要锁定，也是以 CAS 操作去放置。

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