JAVA 并发类（二） ConcurrentHashMap 原理分析

HashTable是一个线程安全的类，使用synchronzied来锁住整张Hash表来实现线程安全，而ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发执行，关键在于使用了锁分离技术。使用多个锁来控制对hash表的不同部分进行修改。ConcurrentHashMap内部使用段Segment来表示这些不同的部分，其中每个段都是一个HashTable,它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。

还有一些需要跨段的方法比如size()和containsValue(),它们可能需要锁定整个表而不仅仅是某个断，而且需要按照顺序先锁定所有段在按照顺序释放所有的段，不按照顺序很有可能会产生死锁。

一. 实现原理

ConcurrentHashMap使用分段技术，把数据分成一段一段存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问，实现真正的并发访问。

ConcurrentHashMap里有很多个Segment，每个Segment都有拥有一把锁[每个Segment都继承自ReentrantLock]

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable

这样的好处是对每个Segment中的数据需要同步操作的话都说使用每个Segment容器对象自身的锁来实现，只有对全局需要改变时锁定的是所有的Segment.

Segment下包含很多HashEntry列表数组，对于一个key经过三次hash操作确定最终位置：

1. 先对一个key进行一个哈希操作，得到哈希值h1
2. 将h1的高几位进行第二次哈希，得到h2，根据h2确定放在哪个Segment
3. 再对h1的第几位进行第三次哈希，得到h3，根据h3确定放在Segement内的哪个HashEntry中

ConcurrentHashMap主要实体类就是三个：ConcurrentHashMap（整个哈希表），Segment（桶），HashEntry（节点）

/** * The segments, each of which is a specialized hash table */  final Segment<K,V>[] segments;

ConcurrentHashMap允许多个读操作并发执行，读操作不需要加锁。

HashEntry结构如下：

static final class HashEntry<K,V> {       final K key;       final int hash;       volatile V value;       volatile HashEntry<K,V> next;   }

JDK6中的next指针也定义为final，并且每次插入将新节点作为链表的头结点。每次删除一个节点，会将删除节点之前的所有节点 拷贝一份组成一个新的链，而将当前节点的上一个节点的next指向当前节点的下一个节点，从而在删除以后 有两条链存在，因而可以保证即使在同一条链中，有一个线程在删除，而另一个线程在遍历，它们都能工作良好，因为遍历的线程能继续使用原有的链。因而这种实现是一种更加细粒度的happens-before关系，即如果遍历线程在删除线程结束后开始，则它能看到删除后的变化，如果它发生在删除线程正在执行中间，则它会使用原有的链，而不会等到删除线程结束后再执行，即看不到删除线程的影响。如果这不符合你的需求，还是乖乖的用Hashtable或HashMap的synchronized版本，Collections.synchronizedMap()做的包装。

注意在HashMap中的Entry只有key是final的

初始化

构造函数如下：

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;}

传入的参数有initCapacity，loadFactor，concurrencyLevel三个。

• initCapacity表示新创建的ConcurrentHashMap的初始容量，也就是Entry的数量。默认是16个
• loadFactor表示负载因子，表示当ConcurrentHashMap中元素个数大于loadFactor*initCapacity时就需要扩容，默认是0.75
• cocurrentyLevel表示并发级别，用来确定Segment的个数，Segment的个数是大于等于concurrencyLevel的第一个2的n次方的数。比如，如果concurrencyLevel为12，13，14，15，16这些数，则Segment的数目为16(2的4次方)。默认值为static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16理想情况下ConcurrentHashMap的真正的并发访问量能够达到concurrencyLevel，因为有concurrencyLevel个Segment，假如有concurrencyLevel个线程需要访问Map，并且需要访问的数据都恰好分别落在不同的Segment中，则这些线程能够无竞争地自由访问（因为他们不需要竞争同一把锁），达到同时访问的效果。这也是为什么这个参数起名为“并发级别”的原因

初始化的一些操作

1. 验证参数的合法性 如果不合法 就抛出异常
2. cocurrentyLevel也就是Segment的个数不能超过规定的最大Segment的个数，默认是static final int MAX_SEGMENTS = 1 << 16如果超过就设置为这个值
3. 使用循环找到大于等于concurrencyLevel的第一个2的n次方的数size，这个数就是Segment数组的大小，并记录一共向左按位移动的次数sshift，并且设置segmentShift = 32 - sshift，并且segmentMask的值等于ssize - 1，segmentMask的各个二进制位都为1，目的是之后可以通过key的hash值与这个值做&运算确定Segment的索引。
4. 检查给的容量值是否大于允许的最大容量值，如果大于该值，设置为该值。最大容量值为static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
5. 然后计算每个Segment平均应该放置多少个元素，这个值c是向上取整的值。比如初始容量为15，Segment个数为4，则每个Segment平均需要放置4个元素。
6. 最后创建一个Segment实例，将其当做Segment数组的第一个元素。

put 操作

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);  }

操作如下：

1. 判断value是否为null,如果是null,直接抛出异常
2. key通过一个哈希运算得到一个哈希值
3. 将得到的哈希值往右按位移动segmentShift位，然后在于segmentMask做于运算得到segment的索引j.在初始化的时候我们说过segmentShift的值等于32-sshift，例如concurrencyLevel等于16，则sshift等于4，则segmentShift为28。hash值是一个32位的整数，将其向右移动28位就变成这个样子0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 xxxx，然后再用这个值与segmentMask做&运算，也就是取最后四位的值。这个值确定Segment的索引。
4. 使用Unsafe的方式从Segment数组中获取该索引对应的Segment对象
5. 往这个Segment对象中put值，

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操作需要加锁

get 操作

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;        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) {                K k;                if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))                    return e.value;            }        }        return null;    }

操作步骤

1. 和put操作一样，先通过key进行两次hash确定应该去哪个Segment中取数据
2. 使用Unsafe获取对应的Segment，然后再进行一次&运算得到HashEntry链表的位置，然后从链表头开始遍历整个链表（因为Hash可能会有碰撞，所以用一个链表保存），如果找到对应的key，则返回对应的value值，如果链表遍历完都没有找到对应的key，则说明Map中不包含该key，返回null

值得注意的是，get操作是不需要加锁的（如果value为null，会调用readValueUnderLock，只有这个步骤会加锁），通过前面提到的volatile和final来确保数据安全。

size操作

size操作与put和get操作最大的区别在于，size操作需要遍历所有的Segment才能算出整个Map的大小，而put和get都只关心一个Segment。

假设我们当前遍历的Segment为SA，那么在遍历SA过程中其他的Segment比如SB可能会被修改，于是这一次运算出来的size值可能并不是Map当前的真正大小

size的实现方法是：
先不lock所有的Segment，遍历所有Segment，累加各个Segment的大小得到整个Map的大小，如果某相邻的两次计算获取的所有Segment的更新的次数（每个Segment都有一个modCount变量，这个变量在Segment中的Entry被修改时会加一，通过这个值可以得到每个Segment的更新操作的次数）是一样的，说明计算过程中没有更新操作，则直接返回这个值。如果这三次不加锁的计算过程中Map的更新次数有变化，则之后的计算先对所有的Segment加锁，再遍历所有Segment计算Map大小，最后再解锁所有Segment

public int size() {        // Try a few times to get accurate count. On failure due to        // continuous async changes in table, resort to locking.        final Segment<K,V>[] segments = this.segments;        int size;        boolean overflow; // true if size overflows 32 bits        long sum;         // sum of modCounts        long last = 0L;   // previous sum        int retries = -1; // first iteration isn't retry        try {            for (;;) {                if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {                    for (int j = 0; j < segments.length; ++j)                        ensureSegment(j).lock(); // force creation                }                sum = 0L;                size = 0;                overflow = false;                for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {                    Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);                    if (seg != null) {                        sum += seg.modCount;                        int c = seg.count;                        if (c < 0 || (size += c) < 0)                            overflow = true;                    }                }                if (sum == last)                    break;                last = sum;            }        } finally {            if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {                for (int j = 0; j < segments.length; ++j)                    segmentAt(segments, j).unlock();            }        }        return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;    }

一个Map有4个Segment，标记为S1，S2，S3，S4，现在我们要获取Map的size。计算过程是这样的：第一次计算，不对S1，S2，S3，S4加锁，遍历所有的Segment，假设每个Segment的大小分别为1，2，3，4，更新操作次数分别为：2，2，3，1，则这次计算可以得到Map的总大小为1+2+3+4=10，总共更新操作次数为2+2+3+1=8；第二次计算，不对S1,S2,S3,S4加锁，遍历所有Segment，假设这次每个Segment的大小变成了2，2，3，4，更新次数分别为3，2，3，1，因为两次计算得到的Map更新次数不一致(第一次是8，第二次是9)则可以断定这段时间Map数据被更新，则此时应该再试一次；第三次计算，不对S1，S2，S3，S4加锁，遍历所有Segment，假设每个Segment的更新操作次数还是为3，2，3，1，则因为第二次计算和第三次计算得到的Map的更新操作的次数是一致的，就能说明第二次计算和第三次计算这段时间内Map数据没有被更新，此时可以直接返回第三次计算得到的Map的大小。最坏的情况：第三次计算得到的数据更新次数和第二次也不一样，则只能先对所有Segment加锁再计算最后解锁。

containsValue操作

containsValue操作采用了和size操作一样的想法:

public boolean containsValue(Object value) {        // Same idea as size()        if (value == null)            throw new NullPointerException();        final Segment<K,V>[] segments = this.segments;        boolean found = false;        long last = 0;        int retries = -1;        try {            outer: for (;;) {                if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {                    for (int j = 0; j < segments.length; ++j)                        ensureSegment(j).lock(); // force creation                }                long hashSum = 0L;                int sum = 0;                for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {                    HashEntry<K,V>[] tab;                    Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);                    if (seg != null && (tab = seg.table) != null) {                        for (int i = 0 ; i < tab.length; i++) {                            HashEntry<K,V> e;                            for (e = entryAt(tab, i); e != null; e = e.next) {                                V v = e.value;                                if (v != null && value.equals(v)) {                                    found = true;                                    break outer;                                }                            }                        }                        sum += seg.modCount;                    }                }                if (retries > 0 && sum == last)                    break;                last = sum;            }        } finally {            if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {                for (int j = 0; j < segments.length; ++j)                    segmentAt(segments, j).unlock();            }        }        return found;    }

hash

private int hash(Object k) {    int h = hashSeed;    if ((0 != h) && (k instanceof String)) {        return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);    }    h ^= k.hashCode();    // Spread bits to regularize both segment and index locations,    // using variant of single-word Wang/Jenkins hash.    h += (h <<  15) ^ 0xffffcd7d;    h ^= (h >>> 10);    h += (h <<   3);    h ^= (h >>>  6);    h += (h <<   2) + (h << 14);    return h ^ (h >>> 16);}

其他

• ConcurrentHashMap的key和value都不可以为null,而HashMap中的key可以为null,Hashtable中的key不能为null.
• ConcurrentHashMap是线程安全的类 但是不能保证使用了ConcurrentHashMap的操作都是线程安全的。
• ConcurrentHashMap的get操作不需要加锁，put操作需要加锁

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