Java集合篇：ConcurrentHashMap详解（JDK1.8）
生活随笔
收集整理的這篇文章主要介紹了
Java集合篇：ConcurrentHashMap详解（JDK1.8）
小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.
(本文使用的源碼都是基于JDK1.8的)
(基于JDK1.6的版本可以參考這篇文章：https://blog.csdn.net/a745233700/article/details/83120464)
ConcurrentHashMap是conccurrent家族中的一個類，由于它可以高效地支持并發操作，以及被廣泛使用，經典的開源框架Spring的底層數據結構就是使用ConcurrentHashMap實現的。與同是線程安全的老大哥HashTable相比，它已經更勝一籌，因此它的鎖更加細化，而不是像HashTable一樣為幾乎每個方法都添加了synchronized鎖，這樣的鎖無疑會影響到性能。
本文的分析的源碼是JDK8的版本，與JDK6的版本有很大的差異。實現線程安全的思想也已經完全變了，它摒棄了Segment（鎖段）的概念，而是啟用了一種全新的方式實現,利用CAS算法。它沿用了與它同時期的HashMap版本的思想，底層依然由“數組”+鏈表+紅黑樹的方式思想，但是為了做到并發，又增加了很多輔助的類，例如TreeBin，Traverser等對象內部類。
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一、重要的屬性：
首先來看幾個重要的屬性，與HashMap相同的就不再介紹了，這里重點解釋一下sizeCtl這個屬性。可以說它是ConcurrentHashMap中出鏡率很高的一個屬性，因為它是一個控制標識符，在不同的地方有不同用途，而且它的取值不同，也代表不同的含義。
- 負數代表正在進行初始化或擴容操作
- -1代表正在初始化
- -N 表示有N-1個線程正在進行擴容操作
- 正數或0代表hash表還沒有被初始化，這個數值表示初始化或下一次進行擴容的大小，這一點類似于擴容閾值的概念。還后面可以看到，它的值始終是當前ConcurrentHashMap容量的0.75倍，這與loadfactor是對應的。
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二、重要的內部類：
2.1、Node：
Node是最核心的內部類，它包裝了key-value鍵值對，所有插入ConcurrentHashMap的數據都包裝在這里面。它與HashMap中的定義很相似，但是但是有一些差別它對value和next屬性設置了volatile同步鎖，它不允許調用setValue方法直接改變Node的value域，它增加了find方法輔助map.get()方法。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {final int hash;final K key;volatile V val;//帶有同步鎖的valuevolatile Node<K,V> next;//帶有同步鎖的next指針Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {this.hash = hash;this.key = key;this.val = val;this.next = next;}public final K getKey() { return key; }public final V getValue() { return val; }public final int hashCode() { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); }public final String toString(){ return key + "=" + val; }//不允許直接改變value的值public final V setValue(V value) {throw new UnsupportedOperationException();}public final boolean equals(Object o) {Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;return ((o instanceof Map.Entry) &&(k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&(v = e.getValue()) != null &&(k == key || k.equals(key)) &&(v == (u = val) || v.equals(u)));}/*** Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses.*/Node<K,V> find(int h, Object k) {Node<K,V> e = this;if (k != null) {do {K ek;if (e.hash == h &&((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))return e;} while ((e = e.next) != null);}return null;}}這個Node內部類與HashMap中定義的Node類很相似，但是有一些差別它對value和next屬性設置了volatile同步鎖它不允許調用setValue方法直接改變Node的value域它增加了find方法輔助map.get()方法2.2、TreeNode：
樹節點類，另外一個核心的數據結構。當鏈表長度過長的時候，會轉換為TreeNode。但是與HashMap不相同的是，它并不是直接轉換為紅黑樹，而是把這些結點包裝成TreeNode放在TreeBin對象中，由TreeBin完成對紅黑樹的包裝。而且TreeNode在ConcurrentHashMap集成自Node類，而并非HashMap中的集成自LinkedHashMap.Entry<K,V>類，也就是說TreeNode帶有next指針，這樣做的目的是方便基于TreeBin的訪問。
2.3、TreeBin：
這個類并不負責包裝用戶的key、value信息，而是包裝的很多TreeNode節點。它代替了TreeNode的根節點，也就是說在實際的ConcurrentHashMap“數組”中，存放的是TreeBin對象，而不是TreeNode對象，這是與HashMap的區別。另外這個類還帶有了讀寫鎖。
這里僅貼出它的構造方法。可以看到在構造TreeBin節點時，僅僅指定了它的hash值為TREEBIN常量，這也就是個標識為。同時也看到我們熟悉的紅黑樹構造方法。
/*** Creates bin with initial set of nodes headed by b.*/TreeBin(TreeNode<K,V> b) {super(TREEBIN, null, null, null);this.first = b;TreeNode<K,V> r = null;for (TreeNode<K,V> x = b, next; x != null; x = next) {next = (TreeNode<K,V>)x.next;x.left = x.right = null;if (r == null) {x.parent = null;x.red = false;r = x;}else {K k = x.key;int h = x.hash;Class<?> kc = null;for (TreeNode<K,V> p = r;;) {int dir, ph;K pk = p.key;if ((ph = p.hash) > h)dir = -1;else if (ph < h)dir = 1;else if ((kc == null &&(kc = comparableClassFor(k)) == null) ||(dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)dir = tieBreakOrder(k, pk);TreeNode<K,V> xp = p;if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {x.parent = xp;if (dir <= 0)xp.left = x;elsexp.right = x;r = balanceInsertion(r, x);break;}}}}this.root = r;assert checkInvariants(root);}2.4、ForwardingNode：
一個用于連接兩個table的節點類。它包含一個nextTable指針，用于指向下一張表。而且這個節點的key value next指針全部為null，它的hash值為-1. 這里面定義的find的方法是從nextTable里進行查詢節點，而不是以自身為頭節點進行查找。
/*** A node inserted at head of bins during transfer operations.*/static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {final Node<K,V>[] nextTable;ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {super(MOVED, null, null, null);this.nextTable = tab;}Node<K,V> find(int h, Object k) {// loop to avoid arbitrarily deep recursion on forwarding nodesouter: for (Node<K,V>[] tab = nextTable;;) {Node<K,V> e; int n;if (k == null || tab == null || (n = tab.length) == 0 ||(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) == null)return null;for (;;) {int eh; K ek;if ((eh = e.hash) == h &&((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))return e;if (eh < 0) {if (e instanceof ForwardingNode) {tab = ((ForwardingNode<K,V>)e).nextTable;continue outer;}elsereturn e.find(h, k);}if ((e = e.next) == null)return null;}}}}?
三、Unsafe與CAS：
在ConcurrentHashMap中，隨處可以看到U, 大量使用了U.compareAndSwapXXX的方法，這個方法是利用一個CAS算法實現無鎖化的修改值的操作，他可以大大降低鎖代理的性能消耗。這個算法的基本思想就是不斷地去比較當前內存中的變量值與你指定的一個變量值是否相等，如果相等，則接受你指定的修改的值，否則拒絕你的操作。因為當前線程中的值已經不是最新的值，你的修改很可能會覆蓋掉其他線程修改的結果。這一點與樂觀鎖，SVN的思想是比較類似的。
3.1、unsafe靜態塊：
unsafe代碼塊控制了一些屬性的修改工作，比如最常用的SIZECTL 。? 在這一版本的concurrentHashMap中，大量應用來的CAS方法進行變量、屬性的修改工作。? 利用CAS進行無鎖操作，可以大大提高性能。
private static final sun.misc.Unsafe U;private static final long SIZECTL;private static final long TRANSFERINDEX;private static final long BASECOUNT;private static final long CELLSBUSY;private static final long CELLVALUE;private static final long ABASE;private static final int ASHIFT;static {try {U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();Class<?> k = ConcurrentHashMap.class;SIZECTL = U.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("sizeCtl"));TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("transferIndex"));BASECOUNT = U.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("baseCount"));CELLSBUSY = U.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("cellsBusy"));Class<?> ck = CounterCell.class;CELLVALUE = U.objectFieldOffset(ck.getDeclaredField("value"));Class<?> ak = Node[].class;ABASE = U.arrayBaseOffset(ak);int scale = U.arrayIndexScale(ak);if ((scale & (scale - 1)) != 0)throw new Error("data type scale not a power of two");ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);} catch (Exception e) {throw new Error(e);}}3.2、三個核心方法：
ConcurrentHashMap定義了三個原子操作，用于對指定位置的節點進行操作。正是這些原子操作保證了ConcurrentHashMap的線程安全。
@SuppressWarnings("unchecked")//獲得在i位置上的Node節點static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);}//利用CAS算法設置i位置上的Node節點。之所以能實現并發是因為他指定了原來這個節點的值是多少//在CAS算法中，會比較內存中的值與你指定的這個值是否相等，如果相等才接受你的修改，否則拒絕你的修改//因此當前線程中的值并不是最新的值，這種修改可能會覆蓋掉其他線程的修改結果 有點類似于SVNstatic final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,Node<K,V> c, Node<K,V> v) {return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);}//利用volatile方法設置節點位置的值static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);}?
四、初始化方法initTable：
對于ConcurrentHashMap來說，調用它的構造方法僅僅是設置了一些參數而已。而整個table的初始化是在向ConcurrentHashMap中插入元素的時候發生的。如調用put、computeIfAbsent、compute、merge等方法的時候，調用時機是檢查table==null。
初始化方法主要應用了關鍵屬性sizeCtl 如果這個值〈0，表示其他線程正在進行初始化，就放棄這個操作。在這也可以看出ConcurrentHashMap的初始化只能由一個線程完成。如果獲得了初始化權限，就用CAS方法將sizeCtl置為-1，防止其他線程進入。初始化數組后，將sizeCtl的值改為0.75*n
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五、擴容方法transfer：
當ConcurrentHashMap容量不足的時候，需要對table進行擴容。這個方法的基本思想跟HashMap是很像的，但是由于它是支持并發擴容的，所以要復雜的多。原因是它支持多線程進行擴容操作，而并沒有加鎖。我想這樣做的目的不僅僅是為了滿足concurrent的要求，而是希望利用并發處理去減少擴容帶來的時間影響。因為在擴容的時候，總是會涉及到從一個“數組”到另一個“數組”拷貝的操作，如果這個操作能夠并發進行，那真真是極好的了。
整個擴容操作分為兩個部分:
- 第一部分是構建一個nextTable,它的容量是原來的兩倍，這個操作是單線程完成的。這個單線程的保證是通過RESIZE_STAMP_SHIFT這個常量經過一次運算來保證的，這個地方在后面會有提到；
- 第二個部分就是將原來table中的元素復制到nextTable中，這里允許多線程進行操作
先來看一下單線程是如何完成的：
它的大體思想就是遍歷、復制的過程。首先根據運算得到需要遍歷的次數i，然后利用tabAt方法獲得i位置的元素：
- 如果這個位置為空，就在原table中的i位置放入forwardNode節點，這個也是觸發并發擴容的關鍵點；
- 如果這個位置是Node節點（fh>=0），如果它是一個鏈表的頭節點，就構造一個反序鏈表，把他們分別放在nextTable的i和i+n的位置上;
- 如果這個位置是TreeBin節點（fh<0），也做一個反序處理，并且判斷是否需要untreefi，把處理的結果分別放在nextTable的i和i+n的位置上;
- 遍歷過所有的節點以后就完成了復制工作，這時讓nextTable作為新的table，并且更新sizeCtl為新容量的0.75倍 ，完成擴容。
再看一下多線程是如何完成的：
在代碼的69行有一個判斷，如果遍歷到的節點是forward節點，就向后繼續遍歷，再加上給節點上鎖的機制，就完成了多線程的控制。多線程遍歷節點，處理了一個節點，就把對應點的值set為forward，另一個線程看到forward，就向后遍歷。這樣交叉就完成了復制工作。而且還很好的解決了線程安全的問題。 這個方法的設計實在是讓我膜拜。
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六、put()方法：（尾插法）
前面的所有的介紹其實都為這個方法做鋪墊。ConcurrentHashMap最常用的就是put和get兩個方法。現在來介紹put方法，這個put方法依然沿用HashMap的put方法的思想，根據hash值計算這個新插入的點在table中的位置i，如果i位置是空的，直接放進去，否則進行判斷，如果i位置是樹節點，按照樹的方式插入新的節點，否則把i插入到鏈表的末尾。ConcurrentHashMap中依然沿用這個思想，有一個最重要的不同點就是ConcurrentHashMap不允許key或value為null值。另外由于涉及到多線程，put方法就要復雜一點。在多線程中可能有以下兩個情況。
整體流程就是首先定義不允許key或value為null的情況放入，對于每一個放入的值，首先利用spread方法對key的hashcode進行一次hash計算，由此來確定這個值在table中的位置。
- 如果這個位置是空的，那么直接放入，而且不需要加鎖操作。
- 如果這個位置存在結點，說明發生了hash碰撞，首先判斷這個節點的類型。如果是鏈表節點（fh>0）,則得到的結點就是hash值相同的節點組成的鏈表的頭節點。需要依次向后遍歷確定這個新加入的值所在位置。如果遇到hash值與key值都與新加入節點是一致的情況，則只需要更新value值即可。否則依次向后遍歷，直到鏈表尾插入這個結點。??如果加入這個節點以后鏈表長度大于8，就把這個鏈表轉換成紅黑樹。如果這個節點的類型已經是樹節點的話，直接調用樹節點的插入方法進行插入新的值。
6.1、helpTransfer()方法：
這是一個協助擴容的方法。這個方法被調用的時候，當前ConcurrentHashMap一定已經有了nextTable對象，首先拿到這個nextTable對象，調用transfer方法。回看上面的transfer方法可以看到，當本線程進入擴容方法的時候會直接進入復制階段。
/*** Helps transfer if a resize is in progress.*/final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {Node<K,V>[] nextTab; int sc;if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&(nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {int rs = resizeStamp(tab.length);//計算一個操作校驗碼while (nextTab == nextTable && table == tab &&(sc = sizeCtl) < 0) {if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)break;if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {transfer(tab, nextTab);break;}}return nextTab;}return table;}6.2、treeifyBin()方法：
這個方法用于將過長的鏈表轉換為TreeBin對象。但是他并不是直接轉換，而是進行一次容量判斷，如果容量沒有達到轉換的要求，直接進行擴容操作并返回；如果滿足條件才鏈表的結構抓換為TreeBin ，這與HashMap不同的是，它并沒有把TreeNode直接放入紅黑樹，而是利用了TreeBin這個小容器來封裝所有的TreeNode。
private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {Node<K,V> b; int n, sc;if (tab != null) {if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)//如果table.length<64 就擴大一倍 返回tryPresize(n << 1);else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {synchronized (b) {if (tabAt(tab, index) == b) {TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;//構造了一個TreeBin對象 把所有Node節點包裝成TreeNode放進去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);//這里只是利用了TreeNode封裝 而沒有利用TreeNode的next域和parent域if ((p.prev = tl) == null)hd = p;elsetl.next = p;tl = p;}//在原來index的位置 用TreeBin替換掉原來的Node對象setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));}}}}}?
七、get()方法：
get方法比較簡單，給定一個key來確定value的時候，必須滿足兩個條件? key相同? hash值相同，對于節點可能在鏈表或樹上的情況，需要分別去查找。
public V get(Object key) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;//計算hash值int h = spread(key.hashCode());//根據hash值確定節點位置if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {//如果搜索到的節點key與傳入的key相同且不為null,直接返回這個節點 if ((eh = e.hash) == h) {if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))return e.val;}//如果eh<0 說明這個節點在樹上 直接尋找else if (eh < 0)return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;//否則遍歷鏈表 找到對應的值并返回while ((e = e.next) != null) {if (e.hash == h &&((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))return e.val;}}return null;}?
八、Size相關的方法：
對于ConcurrentHashMap來說，這個table里到底裝了多少東西其實是個不確定的數量，因為不可能在調用size()方法的時候像GC的“stop the world”一樣讓其他線程都停下來讓你去統計，因此只能說這個數量是個估計值。對于這個估計值，ConcurrentHashMap也是大費周章才計算出來的。
8.1、輔助定義：
為了統計元素個數，ConcurrentHashMap定義了一些變量和一個內部類。
/*** A padded cell for distributing counts. Adapted from LongAdder* and Striped64. See their internal docs for explanation.*/@sun.misc.Contended static final class CounterCell {volatile long value;CounterCell(long x) { value = x; }}/******************************************/ /*** 實際上保存的是hashmap中的元素個數 利用CAS鎖進行更新但它并不用返回當前hashmap的元素個數 */private transient volatile long baseCount;/*** Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating CounterCells.*/private transient volatile int cellsBusy;/*** Table of counter cells. When non-null, size is a power of 2.*/private transient volatile CounterCell[] counterCells;8.2 mappingCount與Size方法：
mappingCount與size方法的類似? 從Java工程師給出的注釋來看，應該使用mappingCount代替size方法 兩個方法都沒有直接返回basecount 而是統計一次這個值，而這個值其實也是一個大概的數值，因此可能在統計的時候有其他線程正在執行插入或刪除操作。
public int size() {long n = sumCount();return ((n < 0L) ? 0 :(n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :(int)n);}/*** Returns the number of mappings. This method should be used* instead of {@link #size} because a ConcurrentHashMap may* contain more mappings than can be represented as an int. The* value returned is an estimate; the actual count may differ if* there are concurrent insertions or removals.** @return the number of mappings* @since 1.8*/public long mappingCount() {long n = sumCount();return (n < 0L) ? 0L : n; // ignore transient negative values}final long sumCount() {CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;long sum = baseCount;if (as != null) {for (int i = 0; i < as.length; ++i) {if ((a = as[i]) != null)sum += a.value;//所有counter的值求和}}return sum;}8.3 addCount方法：
在put方法結尾處調用了addCount方法，把當前ConcurrentHashMap的元素個數+1這個方法一共做了兩件事,更新baseCount的值，檢測是否進行擴容。
private final void addCount(long x, int check) {CounterCell[] as; long b, s;//利用CAS方法更新baseCount的值 if ((as = counterCells) != null ||!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {CounterCell a; long v; int m;boolean uncontended = true;if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||(a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||!(uncontended =U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {fullAddCount(x, uncontended);return;}if (check <= 1)return;s = sumCount();}//如果check值大于等于0 則需要檢驗是否需要進行擴容操作if (check >= 0) {Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {int rs = resizeStamp(n);//if (sc < 0) {if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||transferIndex <= 0)break;//如果已經有其他線程在執行擴容操作if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))transfer(tab, nt);}//當前線程是唯一的或是第一個發起擴容的線程 此時nextTable=nullelse if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))transfer(tab, null);s = sumCount();}}}?
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作者：小小旭GISer?
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與50位技術專家面對面20年技術見證，附贈技術全景圖總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java集合篇：ConcurrentHashMap详解（JDK1.8）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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