From 9a72d4791c3f97dcd31d2858339284a1d2a7fb13 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Omooo <869759698@qq.com> Date: Wed, 15 Apr 2020 08:24:36 +0800 Subject: [PATCH] Create ConcurrentHashMap.md --- blogs/集合/ConcurrentHashMap.md | 344 ++++++++++++++++++++++++++++++++ 1 file changed, 344 insertions(+) create mode 100644 blogs/集合/ConcurrentHashMap.md diff --git a/blogs/集合/ConcurrentHashMap.md b/blogs/集合/ConcurrentHashMap.md new file mode 100644 index 0000000..a9aae25 --- /dev/null +++ b/blogs/集合/ConcurrentHashMap.md @@ -0,0 +1,344 @@ +--- +ConcurrentHashMap +--- + +基于 JDK11。 + +#### 异同 + +ConcurrentHashMap 和 HashMap 两者的相同之处： + +1. 数组、链表结构几乎相同，所以底层对数据结构的操作思路是相同的 +2. 都实现了 Map 接口，大多数方法也都是相同的 + +不同之处： + +1. 红黑树的结构略有不同，HashMap 的红黑树中的节点叫做 TreeNode，TreeNode 不仅仅有属性，还维护着红黑树的结构，比如说查找、新增等等；ConcurrentHashMap 中红黑树被拆分为两块，TreeNode 仅仅维护属性和查找功能，新增了 TreeBin，来维护红黑树的结构，并负责根节点的加锁和解锁 +2. 新增 ForwardingNode 转移节点，扩容的时候会使用到，通过使用该节点，来保证扩容时的线程安全 + +#### Put + +ConcurrentHashMap 在 put 方法上的整体思路和 HashMap 相同，但在线程安全方面写了很多保障的代码，大体思路是： + +1. 如果数组为空，初始化，初始化完成之后，走 2 +2. 计算当前槽点有没有值，没有值的话，CAS 创建，失败继续创建自旋（for 死循环），直到成功，槽点有值的话，走 3 +3. 如果槽点是转移节点（正在扩容），就会一直自旋等待扩容完成之后再新增，不是转移节点走 4 +4. 槽点是有值的，先锁定当前槽点，保证其余线程不能操作，如果是链表，新增值到链表的尾部，如果是红黑树，使用红黑树新增的方法新增 +5. 新增完成之后 check 需不需要扩容，需要的话去扩容 + +```java +final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { + if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); + //计算hash + int hash = spread(key.hashCode()); + int binCount = 0; + for (Node[] tab = table;;) { + Node f; int n, i, fh; + //table是空的，进行初始化 + if (tab == null || (n = tab.length) == 0) + tab = initTable(); + //如果当前索引位置没有值，直接创建 + else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { + //cas 在 i 位置创建新的元素，当 i 位置是空时，即能创建成功，结束for自循，否则继续自旋 + if (casTabAt(tab, i, null, + new Node(hash, key, value, null))) + break; // no lock when adding to empty bin + } + //如果当前槽点是转移节点，表示该槽点正在扩容，就会一直等待扩容完成 + //转移节点的 hash 值是固定的，都是 MOVED + else if ((fh = f.hash) == MOVED) + tab = helpTransfer(tab, f); + //槽点上有值的 + else { + V oldVal = null; + //锁定当前槽点，其余线程不能操作，保证了安全 + synchronized (f) { + //这里再次判断 i 索引位置的数据没有被修改 + //binCount 被赋值的话，说明走到了修改表的过程里面 + if (tabAt(tab, i) == f) { + //链表 + if (fh >= 0) { + binCount = 1; + for (Node e = f;; ++binCount) { + K ek; + //值有的话，直接返回 + 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; + //把新增的元素赋值到链表的最后，退出自旋 + if ((e = e.next) == null) { + pred.next = new Node(hash, key, + value, null); + break; + } + } + } + //红黑树，这里没有使用 TreeNode,使用的是 TreeBin，TreeNode 只是红黑树的一个节点 + //TreeBin 持有红黑树的引用，并且会对其加锁，保证其操作的线程安全 + else if (f instanceof TreeBin) { + Node p; + binCount = 2; + //满足if的话，把老的值给oldVal + //在putTreeVal方法里面，在给红黑树重新着色旋转的时候 + //会锁住红黑树的根节点 + if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key, + value)) != null) { + oldVal = p.val; + if (!onlyIfAbsent) + p.val = value; + } + } + } + } + //binCount不为空，并且 oldVal 有值的情况，说明已经新增成功了 + if (binCount != 0) { + // 链表是否需要转化成红黑树 + if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) + treeifyBin(tab, i); + if (oldVal != null) + return oldVal; + //这一步几乎走不到。槽点已经上锁，只有在红黑树或者链表新增失败的时候 + //才会走到这里，这两者新增都是自旋的，几乎不会失败 + break; + } + } + } + //check 容器是否需要扩容，如果需要去扩容，调用 transfer 方法去扩容 + //如果已经在扩容中了，check有无完成 + addCount(1L, binCount); + return null; +} +``` + +#### 数组初始化时的线程安全 + +数组初始化时，首先通过自旋来保证一定可以初始化成功，然后通过 CAS 设置 SIZECTL 变量的值，来保证同一时刻只能有一个线程对数组进行初始化，CAS 成功之后，还会再次判断当前数组是否已经初始化完成，如果已经初始化完成，就不会再次初始化，通过自旋 + CAS + 双重 check 等手段保证了数组初始化时的线程安全。 + +```java +//初始化 table，通过对 sizeCtl 的变量赋值来保证数组只能被初始化一次 +private final Node[] initTable() { + Node[] tab; int sc; + //通过自旋保证初始化成功 + while ((tab = table) == null || tab.length == 0) { + // 小于 0 代表有线程正在初始化，释放当前 CPU 的调度权，重新发起锁的竞争 + if ((sc = sizeCtl) < 0) + Thread.yield(); // lost initialization race; just spin + // CAS 赋值保证当前只有一个线程在初始化，-1 代表当前只有一个线程能初始化 + // 保证了数组的初始化的安全性 + else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { + try { + // 很有可能执行到这里的时候，table 已经不为空了，这里是双重 check + if ((tab = table) == null || tab.length == 0) { + // 进行初始化 + 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; +} +``` + +#### 新增槽点值时的线程安全 + +此时为了保证线程安全，做了四处优化： + +1. 通过自旋死循环保证一定可以新增成功 + + 在新增之前，通过 for 死循环来保证新增一定可以成功，一旦新增成功，就可以退出死循环，新增失败的话，重复新增的步骤，直到新增成功为止。 + +2. 当前槽点为空时，通过 CAS 新增 + + 这里没有在判断槽点为空的情况下直接赋值，因为在判断槽点为空和赋值的瞬间，很有可能槽点已经被其他线程赋值了，所以我们采用 CAS 算法，能够保证槽点为空的情况下赋值成功，如果恰好槽点已经被其他线程赋值，当前 CAS 操作失败，会再次执行 for 自旋，再走槽点有值的 put 流程，这里就是自旋 + CAS 的结合。 + +3. 当前槽点有值，锁定当前槽点 + + put 时，如果当前槽点有值，就是 key 的 hash 冲突的情况，此时槽点上可能是链表或红黑树，我们通过锁住槽点，来保证同一时刻只会有一个线程能对槽点进行修改。 + +4. 红黑树旋转时，锁住红黑树的根节点，保证同一时刻，当前红黑树只能被一个线程旋转 + +通过以上四点，保证了在各种情况下的新增，都是线程安全的，通过自旋 + CAS + 锁三大姿势，实现的很巧妙。 + +#### 扩容时的线程安全 + +ConcurrentHashMap 的扩容时机和 HashMap 相同，都是在 put 方法的最后一步检查是否需要扩容，如果需要则进行扩容，但两者扩容的过程完全不同，ConcurrentHashMap 扩容的方法叫做 transfer，从 put 方法的 addCount 方法进去，就能找到 transfer方法，transfer 方法的主要思路是： + +1. 首先需要把老数组的值全部拷贝到扩容之后的新数组上，先从数组的队尾开始拷贝 +2. 拷贝数组的槽点时，先把原数组槽点锁住，保证原数组槽点不能操作，成功拷贝到新数组时，把原数组槽点赋值为转移节点 +3. 这时如果有新数据正好需要 put 到此槽点，发现槽点为转移节点，就会一直等待，所以在扩容完成之前，该槽点对应的数据是不会发生变化的 +4. 从数组的尾部拷贝到头部，每拷贝成功一次，就把原数组中的节点设置为转移节点 +5. 直到所有数组数据都拷贝到新数组时，直接把新数组整个赋值给数组容器，拷贝完成 + +```java +// 扩容主要分 2 步，第一新建新的空数组，第二移动拷贝每个元素到新数组中去 +// tab：原数组，nextTab：新数组 +private final void transfer(Node[] tab, Node[] nextTab) { + // 老数组的长度 + int n = tab.length, stride; + if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE) + stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range + // 如果新数组为空，初始化，大小为原数组的两倍，n << 1 + if (nextTab == null) { // initiating + try { + @SuppressWarnings("unchecked") + Node[] nt = (Node[])new Node[n << 1]; + nextTab = nt; + } catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME + sizeCtl = Integer.MAX_VALUE; + return; + } + nextTable = nextTab; + transferIndex = n; + } + // 新数组的长度 + int nextn = nextTab.length; + // 代表转移节点，如果原数组上是转移节点，说明该节点正在被扩容 + ForwardingNode fwd = new ForwardingNode(nextTab); + boolean advance = true; + boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab + // 无限自旋，i 的值会从原数组的最大值开始，慢慢递减到 0 + for (int i = 0, bound = 0;;) { + Node f; int fh; + while (advance) { + int nextIndex, nextBound; + // 结束循环的标志 + if (--i >= bound || finishing) + advance = false; + // 已经拷贝完成 + else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) { + i = -1; + advance = false; + } + // 每次减少 i 的值 + else if (U.compareAndSwapInt + (this, TRANSFERINDEX, nextIndex, + nextBound = (nextIndex > stride ? + nextIndex - stride : 0))) { + bound = nextBound; + i = nextIndex - 1; + advance = false; + } + } + // if 任意条件满足说明拷贝结束了 + if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) { + int sc; + // 拷贝结束，直接赋值，因为每次拷贝完一个节点，都在原数组上放转移节点，所以拷贝完成的节点的数据一定不会再发生变化。 + // 原数组发现是转移节点，是不会操作的，会一直等待转移节点消失之后在进行操作。 + // 也就是说数组节点一旦被标记为转移节点，是不会再发生任何变动的，所以不会有任何线程安全的问题 + // 所以此处直接赋值，没有任何问题。 + 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) { + // 进行节点的拷贝 + if (tabAt(tab, i) == f) { + Node ln, hn; + if (fh >= 0) { + int runBit = fh & n; + Node lastRun = f; + for (Node 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; + } + // 如果节点只有单个数据，直接拷贝，如果是链表，循环多次组成链表拷贝 + for (Node 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(ph, pk, pv, ln); + else + hn = new Node(ph, pk, pv, hn); + } + // 在新数组位置上放置拷贝的值 + setTabAt(nextTab, i, ln); + setTabAt(nextTab, i + n, hn); + // 在老数组位置上放上 ForwardingNode 节点 + // put 时，发现是 ForwardingNode 节点，就不会再动这个节点的数据了 + setTabAt(tab, i, fwd); + advance = true; + } + // 红黑树的拷贝 + else if (f instanceof TreeBin) { + // 红黑树的拷贝工作，同 HashMap 的内容，代码忽略 + ………… + // 在老数组位置上放上 ForwardingNode 节点 + setTabAt(tab, i, fwd); + advance = true; + } + } + } + } + } +} +``` + +#### Get + +ConcurrentHashMap 读的话，就比较简单了，先获取数组下标，然后通过判断数组下标的 key 是否和我们的 key 相等，相等的话就直接返回，如果下标的槽点是链表或红黑树的话，分别调用相应的查找数据的方法，整体思路和 HashMap 很像。 + +```java +public V get(Object key) { + Node[] tab; Node e, p; int n, eh; K ek; + //计算hashcode + int h = spread(key.hashCode()); + //不是空的数组 && 并且当前索引的槽点数据不是空的 + //否则该key对应的值不存在，返回null + if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && + (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) { + //槽点第一个值和key相等，直接返回 + if ((eh = e.hash) == h) { + if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))) + return e.val; + } + //如果是红黑树或者转移节点，使用对应的find方法 + else if (eh < 0) + return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null; + //如果是链表，遍历查找 + while ((e = e.next) != null) { + if (e.hash == h && + ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) + return e.val; + } + } + return null; +} +``` +