參考：http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3498537.html
1、ConcurrentHashMap介紹
ConcurrentHashMap是線程安全的哈希表。
HashMap, Hashtable, ConcurrentHashMap之間的關(guān)聯(lián)如下：
HashMap是非線程安全的哈希表，常用于單線程程序中。
Hashtable是線程安全的哈希表，它是通過(guò)synchronized來(lái)保證線程安全的。Hashtable在線程競(jìng)爭(zhēng)激烈時(shí)，效率比較低(此時(shí)建議使用ConcurrentHashMap)！因?yàn)楫?dāng)一個(gè)線程訪問Hashtable的同步方法時(shí)，其它線程訪問Hashtable的同步方法，可能會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
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ConcurrentHashMap是線程安全的哈希表，JDK1.7中，它是通過(guò)“分段鎖”來(lái)保證線程安全的。
ConcurrentHashMap將哈希表分成許多片段(Segment)，每一個(gè)片段除了保存哈希表之外，本質(zhì)上也是一個(gè)“可重入的互斥鎖”(ReentrantLock)。多線程對(duì)同一個(gè)片段的訪問，是互斥的；但是，對(duì)于不同片段的訪問，卻是可以同步進(jìn)行的。
這里寫圖片描述
2、要點(diǎn)
ConcurrentHashMap繼承于AbstractMap抽象類。
Segment是ConcurrentHashMap中的內(nèi)部類，它就是ConcurrentHashMap中的“分段鎖”對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。ConcurrentHashMap與Segment是組合關(guān)系，1個(gè)ConcurrentHashMap對(duì)象包含若干個(gè)Segment對(duì)象。在代碼中，這表現(xiàn)為ConcurrentHashMap類中存在“Segment數(shù)組”成員。
Segment類繼承于ReentrantLock類，所以Segment本質(zhì)上是一個(gè)可重入的互斥鎖。
HashEntry也是ConcurrentHashMap的內(nèi)部類，是單向鏈表節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)著key-value鍵值對(duì)。Segment與HashEntry是組合關(guān)系，Segment類中存在“HashEntry數(shù)組”成員，“HashEntry數(shù)組”中的每個(gè)HashEntry就是一個(gè)單向鏈表。
對(duì)于多線程訪問對(duì)一個(gè)“哈希表對(duì)象”競(jìng)爭(zhēng)資源，Hashtable是通過(guò)一把鎖來(lái)控制并發(fā)； 而ConcurrentHashMap則是將哈希表分成許多片段，對(duì)于每一個(gè)片段分別通過(guò)一個(gè)互斥鎖來(lái)控制并發(fā)。 ConcurrentHashMap對(duì)并發(fā)的控制更加細(xì)膩，它也更加適應(yīng)于高并發(fā)場(chǎng)景！
3、Segment（片段）
ConcurrentHashMap維護(hù)一個(gè)segment數(shù)組，將元素分成若干段，它通過(guò)“segments數(shù)組”對(duì)象來(lái)保存各個(gè)分段，第一次hash找到對(duì)應(yīng)的Segment。
final Segment<K,V>[] segments;
Segment是ConcurrentHashMap的內(nèi)部類：
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
...
//每一個(gè)Segment有一個(gè)保存HashEntry的數(shù)組（第二次hash）
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
// threshold閾，是哈希表在其容量自動(dòng)增加之前可以達(dá)到多滿的一種尺度。
transient int threshold;
// loadFactor是加載因子
final float loadFactor;
Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {
this.loadFactor = lf;
this.threshold = threshold;
this.table = tab;
}
...
}
說(shuō)明：
（1）Segment 包含 HashEntry數(shù)組，HashEntry保存了哈希表中的鍵值對(duì)。
（2）Segment 繼承于 ReentrantLock 。這意味著，Segment本質(zhì)上就是可重入的互斥鎖。
4、HashEntry
HashEntry是鏈表中的單個(gè)節(jié)點(diǎn)。
JDK1.7中，ConcurrentHashMap是鏈?zhǔn)焦１?，它是通過(guò)“拉鏈法”來(lái)解決哈希沖突的。
static final class HashEntry<K,V> {
final int hash; // 哈希值
final K key; // 鍵
volatile V value; // 值
volatile HashEntry<K,V> next; // 下一個(gè)HashEntry節(jié)點(diǎn)
HashEntry(int hash, K key, V value, HashEntry<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
...
}
5、ConcurrentHashMap的創(chuàng)建，添加，獲取，刪除
5.1 創(chuàng)建
下面以ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
// 參數(shù)有效性判斷
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// concurrencyLevel是“用來(lái)計(jì)算segments的容量”
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
int sshift = 0;
int ssize = 1;
// ssize=“大于或等于concurrencyLevel的最小的2的N次方值”
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
// 初始化segmentShift和segmentMask
this.segmentShift = 32 - sshift;
this.segmentMask = ssize - 1;
// 哈希表的初始容量
// 哈希表的實(shí)際容量=“segments的容量” x “segments中數(shù)組的長(zhǎng)度”
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// “哈希表的初始容量” / “segments的容量”
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
// cap就是“segments中的HashEntry數(shù)組的長(zhǎng)度”
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
// segments
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;
}
5.2 添加
下面以put(K key, V value)來(lái)對(duì)ConcurrentHashMap中增加鍵值對(duì)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
// 獲取key對(duì)應(yīng)的哈希值
int hash = hash(key);
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
// 如果找不到該Segment，則新建一個(gè)。
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
//Segment中的put函數(shù)見下面的分析
return s.put(key, hash, value, false);
}
Segment中的put函數(shù)：
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// tryLock()獲取鎖，成功返回true，失敗返回false。
// 獲取鎖失敗的話，則通過(guò)scanAndLockForPut()“自旋”獲取鎖，并返回”要插入的key-value“對(duì)應(yīng)的”HashEntry鏈表。
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
// tab代表”當(dāng)前Segment中的HashEntry數(shù)組“
HashEntry<K,V>[] tab = table;
// 根據(jù)”hash值“獲取”HashEntry數(shù)組中對(duì)應(yīng)的HashEntry鏈表“
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
// 如果”HashEntry鏈表中的當(dāng)前HashEntry節(jié)點(diǎn)“不為null，
if (e != null) {
K k;
// 當(dāng)”要插入的key-value鍵值對(duì)“已經(jīng)存在于”HashEntry鏈表中“時(shí)，先保存原有的值。
// 若”onlyIfAbsent“為true，即”要插入的key不存在時(shí)才插入”，則直接退出；
// 否則，用新的value值覆蓋原有的原有的值。
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 {
// 如果node非空，則將first設(shè)置為“node的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)”。
// 否則，新建HashEntry鏈表
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
// 如果添加key-value鍵值對(duì)之后，Segment中的元素超過(guò)閾值(并且，HashEntry數(shù)組的長(zhǎng)度沒超過(guò)限制)，
// 則rehash；
// 否則，直接添加key-value鍵值對(duì)。
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node); //擴(kuò)容
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
// 釋放鎖
unlock();
}
return oldValue;
}
從上邊觀察，總共進(jìn)行了兩次hash計(jì)算：
第一次，調(diào)用hash()函數(shù)，計(jì)算key的hash值，從而找到對(duì)應(yīng)的Segment片段：
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);
}
第二次，在Segment中，根據(jù)key的hash值，計(jì)算插入位置index：
int index = (tab.length - 1) & hash;
5.3 自旋函數(shù)scanAndLockForPut()
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
// 第一個(gè)HashEntry節(jié)點(diǎn)
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
// 當(dāng)前的HashEntry節(jié)點(diǎn)
HashEntry<K,V> e = first;
HashEntry<K,V> node = null;
// 重復(fù)計(jì)數(shù)(自旋計(jì)數(shù)器)
int retries = -1; // negative while locating node
// 查找”key-value鍵值對(duì)“在”HashEntry鏈表上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)“；
// 若找到的話，則不斷的自旋；在自旋期間，若通過(guò)tryLock()獲取鎖成功則返回；否則自旋MAX_SCAN_RETRIES次數(shù)之后，強(qiáng)制獲取”鎖“并退出。
// 若沒有找到的話，則新建一個(gè)HashEntry鏈表。然后不斷的自旋。
// 此外，若在自旋期間，HashEntry鏈表的表頭發(fā)生變化；則重新進(jìn)行查找和自旋工作！
while (!tryLock()) {
HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
// 1. retries<0的處理情況
if (retries < 0) {
// 1.1 如果當(dāng)前的HashEntry節(jié)點(diǎn)為空(意味著，在該HashEntry鏈表上上沒有找到”要插入的鍵值對(duì)“對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn))，而且node=null；
// 則新建HashEntry鏈表。
if (e == null) {
if (node == null) // speculatively create node
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
retries = 0;
}
// 1.2 如果當(dāng)前的HashEntry節(jié)點(diǎn)是”要插入的鍵值對(duì)在該HashEntry上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)“，則設(shè)置retries=0
else if (key.equals(e.key))
retries = 0;
// 1.3 設(shè)置為下一個(gè)HashEntry。
else
e = e.next;
}
// 2. 如果自旋次數(shù)超過(guò)限制，則獲取“鎖”并退出
else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
lock();
break;
}
// 3. 當(dāng)“嘗試了偶數(shù)次”時(shí)，就獲取“當(dāng)前Segment的第一個(gè)HashEntry”，即f。
// 然后，通過(guò)f!=first來(lái)判斷“當(dāng)前Segment的第一個(gè)HashEntry是否發(fā)生了改變”。
// 若是的話，則重置e，first和retries的值，并重新遍歷。
else if ((retries & 1) == 0 &&
(f = entryForHash(this, hash)) != first) {
e = first = f; // re-traverse if entry changed
retries = -1;
}
}
return node;
}
scanAndLockForPut()的目標(biāo)是獲取鎖。流程如下：
它首先會(huì)調(diào)用entryForHash()，根據(jù)hash值獲取”當(dāng)前Segment中對(duì)應(yīng)的HashEntry節(jié)點(diǎn)(first)，即找到對(duì)應(yīng)的HashEntry鏈表“。
緊接著進(jìn)入while循環(huán)。在while循環(huán)中，它會(huì)遍歷”HashEntry鏈表(e)“，查找”要插入的key-value鍵值對(duì)“在”該HashEntry鏈表上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)“。
若找到的話，則不斷的自旋，即不斷的執(zhí)行while循環(huán)。在自旋期間，若通過(guò)tryLock()獲取鎖成功則返回；否則，在自旋MAX_SCAN_RETRIES次數(shù)之后，強(qiáng)制獲取鎖并退出。
若沒有找到的話，則新建一個(gè)HashEntry鏈表，然后不斷的自旋。在自旋期間，若通過(guò)tryLock()獲取鎖成功則返回；否則，在自旋MAX_SCAN_RETRIES次數(shù)之后，強(qiáng)制獲取鎖并退出。
此外，若在自旋期間，HashEntry鏈表的表頭發(fā)生變化；則重新進(jìn)行查找和自旋工作！
5.4 擴(kuò)容函數(shù)rehash()
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
// ”Segment中原始的HashEntry數(shù)組的長(zhǎng)度“
int oldCapacity = oldTable.length;
// ”Segment中新HashEntry數(shù)組的長(zhǎng)度“
int newCapacity = oldCapacity << 1; //新容量 = 舊容量 * 2
// 新的閾值
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
// 創(chuàng)建一個(gè)新的HashEntry數(shù)組
HashEntry<K,V>[] newTable =
(HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
int sizeMask = newCapacity - 1;
// 遍歷”原始的HashEntry數(shù)組“，
// 將”原始的HashEntry數(shù)組“中的每個(gè)”HashEntry鏈表“的值，都復(fù)制到”新的HashEntry數(shù)組的HashEntry元素“中。
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
// 獲取”原始的HashEntry數(shù)組“中的”第i個(gè)HashEntry鏈表“
HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
if (e != null) {
HashEntry<K,V> next = e.next;
int idx = e.hash & sizeMask;
if (next == null) // Single node on list
newTable[idx] = e;
else { // Reuse consecutive sequence at same slot
HashEntry<K,V> lastRun = e;
int lastIdx = idx;
for (HashEntry<K,V> last = next;
last != null;
last = last.next) {
int k = last.hash & sizeMask;
if (k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
newTable[lastIdx] = lastRun;
// 將”原始的HashEntry數(shù)組“中的”HashEntry鏈表(e)“的值，都復(fù)制到”新的HashEntry數(shù)組的HashEntry“中。
for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
V v = p.value;
int h = p.hash;
int k = h & sizeMask;
HashEntry<K,V> n = newTable[k];
newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
}
}
}
}
// 將新的node節(jié)點(diǎn)添加到“Segment的新HashEntry數(shù)組(newTable)“中。
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node;
table = newTable;
}
5.5 獲取
下面以get(Object key)為例，對(duì)ConcurrentHashMap的獲取方法進(jìn)行說(shuō)明。
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;
// 獲取key對(duì)應(yīng)的Segment片段。
// 如果Segment片段不為null，則在“Segment片段的HashEntry數(shù)組中”中找到key所對(duì)應(yīng)的HashEntry列表；
// 接著遍歷該HashEntry鏈表，找到于key-value鍵值對(duì)對(duì)應(yīng)的HashEntry節(jié)點(diǎn)。
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;
}
5.6 刪除
下面以remove(Object key)來(lái)對(duì)ConcurrentHashMap中的刪除操作來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
public V remove(Object key) {
int hash = hash(key);
// 根據(jù)hash值，找到key對(duì)應(yīng)的Segment片段。
Segment<K,V> s = segmentForHash(hash);
return s == null ? null : s.remove(key, hash, null);
}
Segment中的remove函數(shù)：
final V remove(Object key, int hash, Object value) {
// 嘗試獲取Segment對(duì)應(yīng)的鎖。
// 嘗試失敗的話，則通過(guò)scanAndLock()來(lái)獲取鎖。
if (!tryLock())
scanAndLock(key, hash);
V oldValue = null;
try {
// 根據(jù)“hash值”找到“Segment的HashEntry數(shù)組”中對(duì)應(yīng)的“HashEntry節(jié)點(diǎn)(e)”，該HashEntry節(jié)點(diǎn)是一HashEntry個(gè)鏈表。
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> e = entryAt(tab, index);
HashEntry<K,V> pred = null;
// 遍歷“HashEntry鏈表”，刪除key-value鍵值對(duì)
while (e != null) {
K k;
HashEntry<K,V> next = e.next;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
V v = e.value;
if (value == null || value == v || value.equals(v)) {
if (pred == null)
setEntryAt(tab, index, next);
else
pred.setNext(next);
++modCount;
--count;
oldValue = v;
}
break;
}
pred = e;
e = next;
}
} finally {
// 釋放鎖
unlock();
}
return oldValue;
}
說(shuō)明：remove()的目的就是刪除key-value鍵值對(duì)。在刪除之前，它會(huì)獲取到Segment的互斥鎖，在刪除之后，再釋放鎖。
它的刪除過(guò)程也比較簡(jiǎn)單，它會(huì)先根據(jù)hash值，找到“Segment的HashEntry數(shù)組”中對(duì)應(yīng)的“HashEntry”節(jié)點(diǎn)。根據(jù)Segment的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們知道Segment中包含一個(gè)HashEntry數(shù)組對(duì)象，而每一個(gè)HashEntry本質(zhì)上是一個(gè)單向鏈表。 在找到“HashEntry”節(jié)點(diǎn)之后，就遍歷該“HashEntry”節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鏈表，找到key-value鍵值對(duì)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，然后刪除。
5.7 scanAndLock()函數(shù)
scanAndLock()的目標(biāo)是獲取鎖。它的實(shí)現(xiàn)與scanAndLockForPut()類似。
private void scanAndLock(Object key, int hash) {
// 第一個(gè)HashEntry節(jié)點(diǎn)
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
HashEntry<K,V> e = first;
int retries = -1;
// 查找”key-value鍵值對(duì)“在”HashEntry鏈表上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)“；
// 無(wú)論找沒找到，最后都會(huì)不斷的自旋；在自旋期間，若通過(guò)tryLock()獲取鎖成功則返回；否則自旋MAX_SCAN_RETRIES次數(shù)之后，強(qiáng)制獲取”鎖“并退出。
// 若在自旋期間，HashEntry鏈表的表頭發(fā)生變化；則重新進(jìn)行查找和自旋！
while (!tryLock()) {
HashEntry<K,V> f;
if (retries < 0) {
// 如果“遍歷完該HashEntry鏈表，仍然沒找到”要?jiǎng)h除的鍵值對(duì)“對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)”
// 或者“在該HashEntry鏈表上找到”要?jiǎng)h除的鍵值對(duì)“對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)”，則設(shè)置retries=0
// 否則，設(shè)置e為下一個(gè)HashEntry節(jié)點(diǎn)。
if (e == null || key.equals(e.key))
retries = 0;
else
e = e.next;
}
// 自旋超過(guò)限制次數(shù)之后，獲取鎖并退出。
else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
lock();
break;
}
// 當(dāng)“嘗試了偶數(shù)次”時(shí)，就獲取“當(dāng)前Segment的第一個(gè)HashEntry”，即f。
// 然后，通過(guò)f!=first來(lái)判斷“當(dāng)前Segment的第一個(gè)HashEntry是否發(fā)生了改變”。
// 若是的話，則重置e，first和retries的值，并重新遍歷。
else if ((retries & 1) == 0 &&
(f = entryForHash(this, hash)) != first) {
e = first = f;
retries = -1;
}
}
}
6、總結(jié)
-
ConcurrentHashMap是線程安全的哈希表，它是通過(guò)“鎖分段”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ConcurrentHashMap中包括了“Segment(鎖分段)數(shù)組”，每個(gè)Segment就是一個(gè)哈希表，而且也是可重入的互斥鎖。
第一，Segment是哈希表表現(xiàn)在，Segment包含了“HashEntry數(shù)組”，而“HashEntry數(shù)組”中的每一個(gè)HashEntry元素是一個(gè)單向鏈表。即Segment是通過(guò)鏈?zhǔn)焦１怼?/p>
第二，Segment是可重入的互斥鎖表現(xiàn)在，Segment繼承于ReentrantLock，而ReentrantLock就是可重入的互斥鎖。
對(duì)于ConcurrentHashMap的添加，刪除操作，在操作開始前，線程都會(huì)獲取Segment的互斥鎖；操作完畢之后，才會(huì)釋放。而對(duì)于讀取操作，它是通過(guò)volatile去實(shí)現(xiàn)的，HashEntry數(shù)組是volatile類型的，而volatile能保證“即對(duì)一個(gè)volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對(duì)這個(gè)volatile變量最后的寫入”，即我們總能讀到其它線程寫入HashEntry之后的值。 以上這些方式，就是ConcurrentHashMap線程安全的實(shí)現(xiàn)原理。
