深入解析ConcurrentHashMap:感受并发编程智慧

一只修仙的猿
  • 如果有一个整型变量count,多个线程并发让count自增1,你会怎么设计?
  • 你知道如何让多个线程协作完成一件事件吗?

前言

很高兴遇见你~

ConcurrentHashMap是个老生常谈的集合类了,我们都知道多线程环境下不能直接使用HashMap,而需要使用ConcurrentHashMap,但有没有了解过ConcurrentHashMap到底是如何实现线程安全的呢?他到底跟传统的Hashtable和SynchronizeMap(没听过SynchronizeMap?他就是Collections.synchronizeMap方法返回的对象)到底好在哪?

ConcurrentHashMap建立在HashMap的基础上实现了线程安全,关于HashMap读者可以参考这篇文章:深入剖析HashMap,从散列表的三大要素:哈希函数、哈希冲突、扩容方案、以及线程安全展开详解HashMap的设计。关于HashMap的内容本文不再赘述,读者若对HashMap的底层设计不了解,一定要先去阅读前面的文章。ConcurrentHashMap中蕴含的并发编程智慧是非常值得我们学习的,正如文章开头的两个问题,你会如何解决呢?可能会直接上锁或用更高性能的CAS,但ConcurrentHashMap给了我们更不一样的解决方案。

本文的主要内容是讲解ConcurrentHashMap中的并发设计,重点分析ConcurrentHashMap的四个方法源码:putValinitTableaddCounttransfer。分析每个方法前会使用图解介绍ConcurrentHashMap的核心思路。源码中我加了非常详细的注释,有时间仍建议读者阅读完源码,ConcurrentHashMap的并发智慧,都蕴含在源码中。

那么我们开始吧~

CAS与自旋锁

CAS是ConcurrentHashMap中的一个重点,也是ConcurrentHashMap提升性能的根基所在。在阅读源码中,可以发现CAS无处不在。在介绍ConcurrentHashMap前,必须先介绍一下这两个重点。

Java中的运算并不是原子操作,如count++可分为:

  1. 获取count副本count_
  2. 对count_进行自增
  3. 把count_赋值给count

如果在第一步之后,count被其他的线程修改了,第三步的赋值会直接覆盖掉其他线程的修改。synchronize可以解决这个问题,但上锁为重量级操作,严重影响性能,CAS是更好的解决方案。

CAS的思路并不复杂。还是上面的例子:当我们需要对变量count进行自增时,我们可以认为没有发生并发冲突,先存储一个count副本,再对count进行自增,然后把副本和count本身进行比较,如果两者相同,则证明没有发生并发冲突,修改count的值;如果不同,则说明count在我们自增的过程中被修改了,把上述整个过程重新来一遍,直到修改成功为止,如下图:

那,如果我们在判断count==count_之后,count被修改了怎么办?比较赋值的操作操作系统会保证的原子性,保证不会出现这种情况。在java中常见的CAS方法有:

// 比较并替换
U.compareAndSwapInt();
U.compareAndSwapLong();
U.compareAndSwapObject();

在后续的源码中,我们会经常看到他们。通过这种思路,我们不需要给count变量上锁。但如果并发度过高,处理时间过长,则会导致某些线程一直在循环自旋,浪费cpu资源

自旋锁是利用CAS而设计的一种应用层面的锁。如下代码:

// 0代表锁释放,1代表锁被某个线程拿走了
int lock = 0;

while(true){
      if(lock==0){
        int lock_ ;
        if(U.compareAndSwapInt(this,lock_,0,1)){
            ... // 获取锁后的逻辑处理
                
            // 最后释放锁
            lock = 0;
            break;
        }
    }  
}

上面就是很经典自旋锁设计。判断锁是否被其他线程拥有,若没有则尝试使用CAS获得锁;前两步失败都会重新循环再次尝试直到获得锁。最后逻辑处理完成要令lock=0来释放锁。冲突时间短的并发情景下这种方法可以大大提升效率。

CAS和自旋锁在ConcurrentHashMap应用地非常广泛,在源码中我们会经常看到他们的身影。同时这也是ConcurrentHashMap的设计核心所在。

ConcurrentHashMap的并发策略概述

Hashtable与SynchronizeMap采取的并发策略是对整个数组对象加锁,导致性能及其低下。jdk1.7之前,ConcurrentHashMap采用的是锁分段策略来优化性能,如下图:

相当于把整个数组,拆分成多个小数组。每次操作只需要锁住操作的小数组即可,不同的segment之间不互相影响,提高了性能。jdk1.8之后,对整个策略进行了重构:锁的不是segment,而是节点,如下图:

锁的粒度进一步被降低,并发的效率也提高了。jdk1.8做得优化不只是细化锁粒度,还带来了CAS+synchronize的设计。那么下面,我们针对ConcurrentHashMap的常见方法:添加、删除、扩容、初始化等进行详解他的设计思路。

添加数据:putVal()

ConcurrentHashMap添加数据时,采取了CAS+synchronize结合策略。首先会判断该节点是否为null,如果为null,尝试使用CAS添加节点;如果添加失败,说明发生了并发冲突,再对节点进行上锁并插入数据。在并发较低的情景下无需加锁,可以显著提高性能。同时只会CAS尝试一次,也不会造成线程长时间等待浪费cpu时间的情况。

ConcurrentHashMap的put方法整体流程如下(并不是全部流程):

  1. 首先会判断数组是否已经初始化,如若未初始化,会先去初始化数组;
  2. 如果当前要插入的节点为null,尝试使用CAS插入数据;
  3. 如果不为null,则判断节点hash值是否为-1;-1表示数组正在扩容,会先去协助扩容,再回来继续插入数据。(协助扩容后面会讲)
  4. 最后会执行上锁,并插入数据,最后判断是否需要返回旧值;如果不是覆盖旧值,需要更新map中的节点数,也就是图中的addCount方法。

ConcurrentHashMap是基于HashMap改造的,其中的插入数据、hash算法和HashMap都大同小异,这里不再赘述。思路清晰之后,下面我们看源码分析:

final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 不允许插入空值或空键
    // 允许value空值会导致get方法返回null时有两种情况:
    // 1. 找不到对应的key2. 找到了但是value为null;
    // 当get方法返回null时无法判断是哪种情况,在并发环境下containsKey方法已不再可靠,
    // 需要返回null来表示查询不到数据。允许key空值需要额外的逻辑处理,占用了数组空间,且并没有多大的实用价值。
    // HashMap支持键和值为null,但基于以上原因,ConcurrentHashMap是不支持空键值。
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    // 高低位异或扰动hashcode,和HashMap类似
    // 但有一点点不同,后面会讲,这里可以简单认为一样的就可以
    int hash = spread(key.hashCode());
    // bincount表示链表的节点数
    int binCount = 0;
    // 尝试多种方法循环处理,后续会有很多这种设计
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        // 情况一:如果数组为空则进行初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        // 情况二:目标下标对象为null
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 重点:采用CAS进行插入
            if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;
        }
        // 情况三:数组正在扩容,帮忙迁移数据到新的数组
        // 同时会新数组,下次循环就是插入到新的数组
        // 关于扩容的内容后面再讲,这里理解为正在扩容即可
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        // 情况四:直接对节点进行加锁,插入数据
        // 下面代码很多,但逻辑和HashMap插入数据大同小异
        // 因为已经上锁,不涉及并发安全设计
        else {
            V oldVal = null;
            // 同步加锁
            synchronized (f) {
                // 重复检查一下刚刚获取的对象有没有发生变化
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 链表处理情况
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        // 循环链表
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            // 找到相同的则记录旧值
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                // 判断是否需要更新数值
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            // 若未找到则插在链表尾
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 红黑树处理情况
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                    else if (f instanceof ReservationNode)
                        throw new IllegalStateException("Recursive update");
                }
            }
            // 判断是否需要转化为红黑树,和返回旧数值
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    // 总数+1;这是一个非常硬核的设计
    // 这是ConcurrentHashMap设计中的一个重点,后面我们详细说
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

// 这个方法和HashMap
static final int spread(int h) {
    return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}

我们注意到源码中有两个关键方法:初始化数组的initTable(),修改map中节点总数的addCount。这两个方法是如何实现线程安全的呢,我们继续分析。

初始化数组:initTable()

初始化操作的重点是:保证多个线程并发调用此方法,只能有一个线程成功。ConcurrentHashMap采取了CAS+自旋的方法来解决并发问题,整体流程如下图:

  1. 首先会判断数组是否为null,如果否说明另一个线程初始化结束了,直接返回该数组;
  2. 第二步判断是否正在初始化,如果是会让出cpu执行时间,当前线程自旋等待
  3. 如果数组为null,且没有另外的线程正在初始化,那么会尝试获取自旋锁,获取成功则进行初始化,获取失败则表示发生了并发冲突,继续循环判断。

ConcurrentHashMap并没有直接采用上锁的方式,而是采用CAS+自旋锁的方式,提高了性能。自旋锁保证了只有一个线程能真正初始化数组,同时又无需承担synchronize的高昂代价,一举两得。在看源码分析之前,我们先来了解一下ConcurrentHashMap中一个关键的变量:sizeCtl

sizeCtl默认为0,在正常情况下,他表示ConcurrentHashMap的阈值,是一个正数。当数组正在扩容时,他的值为-1,表示当前正在初始化,其他线程只需要判断sizeCtl==-1 ,就知道当前数组正在初始化。但当ConcurrentHashMap正在扩容时,sizeCtl是一个表示当前有多少个线程正在协助扩容的负数 ,我们下面讲到扩容时再分析。我们直接来看initTable()的源码分析:

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    // 这里的循环是采用自旋的方式而不是上锁来初始化
    // 首先会判断数组是否为null或长度为0
    // 没有在构造函数中进行初始化,主要是涉及到懒加载的问题
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // sizeCtl是一个非常关键的变量;
        // 默认为0,-1表示正在初始化,<-1表示有多少个线程正在帮助扩容,>0表示阈值
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // 让出cpu执行时间
        
        // 通过CAS设置sc为-1,表示获得自选锁
        // 其他线程则无法进入初始化,进行自选等待
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                // 重复检查是否为空
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                    // 设置sc为阈值,n>>>2表示1/4*n,也就相当于0.75n
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                // 把sc赋值给sizeCtl
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    // 最后返回tab数组
    return tab;
}

下面我们继续看一下addCount()方法如何实现并发安全。

修改节点总数:addCount()

addCount方法的目标很简单,就是把ConcurrentHashMap的节点总数进行+1,也就是我在文章开头提出的问题。ConcurrentHashMap的作者设计了一套非常严谨的架构来保证并发安全与高性能。

ConcurrentHashMap并不是一个单独的size变量,他把size进行拆分,如下图:

这样ConcurrentHashMap的节点数size就等于这些拆分开的size1、size2...的总和。这样拆分有什么好处呢?好处就是每个线程可以单独修改对应的变量。如下图:

两个线程可以同时进行自增操作,且完全没有任何的性能消耗,是不是一个非常神奇的思路?而当需要获取节点总数时,只需要把全部加起来即可。在ConcurrentHashMap中每个size被用一个CounterCell对象包装着,CounterCell类很简单:

static final class CounterCell {
    volatile long value;
    CounterCell(long x) { value = x; }
}

仅仅只是对value值使用volatile关键字进行修饰。不知道volatile关键字?可以参考这篇文章一文搞懂 | Java中volatile关键字,简单来说就是保证当前线程对value的修改其他线程马上可以知道。ConcurrentHashMap使用一个数组来存储CounterCell,如下:

那么每个线程如何分配到对应的自己的CounterCell呢?ConcurrentHashMap中采用了类似HashMap的思路,获取线程随机数,再对这个随机数进行取模得到对应的CounterCell。获取到对应的CounterCell之后,当前线程会尝试使用CAS进行修改,如果修改失败,则重新获取线程随机数,换一个CounterCell再来一次,直到修改成功。

以上就是addCount方法的核心思路,但源码的设计会复杂一点,还必须考虑CounterCell数组的初始化、CounterCell对象的创建、CounterCell数组的扩容。ConcurrentHashMap还保留了一个basecount,每个线程会首先使用CAS尝试修改basecount,如果修改失败,才会下发到counterCell数组中。整体的流程如下:

  1. 当前线程首先会使用CAS修改basecount的值,修改失败则进入数组分配CounterCell修改;
  2. 判断CounterCell数组是否为空,

    1. 如果CounterCell数组为空,则初始化数组
    2. 如果CounterCell数组不为空,使用线程随机数找到下标

      1. 如果该下标的的counterCell对象还没初始化,则先创建一个CounterCell,这一步在图中我没有标出来。创建了CounterCell之后还需要考虑是否需要数组扩容
      2. 如果counterCell对象不为null,使用CAS尝试修改,失败则重新来一次
  3. 如果上面两种情况都不满足,则会回去再尝试CAS修改一下basecount

看起来好像挺复杂,但只要抓住size变量分割成多个CounterCell这个核心概念即可,其他的步骤都是细节完善。我们可以看到整个思路完全没有提到synchronize加锁,ConcurrentHashMap的作者采用CAS+自旋锁代替了synchronize,这使得在高并发情况下提升了非常大的性能。思路清晰之后,我们看源码也就简单一些了。那接下来就 read the fucking code:

private final void addCount(long x, int check) {
    CounterCell[] as; long b, s;
    // 如果数组不为空 或者 数组为空且直接更新basecount失败
    if ((as = counterCells) != null ||
        !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
        
        CounterCell a; long v; int m;
        // 表示没发生竞争
        boolean uncontended = true;
        // 这里有以下情况会进入fullAddCount方法:
        // 1. 数组为null且直接修改basecount失败
        // 2. hash后的数组下标CounterCell对象为null
        // 3. CAS修改CounterCell对象失败
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended =
              U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
            // 该方法保证完成更新,重点方法!!
            fullAddCount(x, uncontended);
            return;
            
        }
        
        // 如果长度<=1不需要扩容(说实话我觉得这里有点奇怪)
        if (check <= 1)
            return;
        s = sumCount();
    }
    if (check >= 0) {
        // 扩容相关逻辑,下面再讲
    }
}

前面源码尝试直接修改basecount失败后,就会进入fullAddCount方法:

private final void fullAddCount(long x, boolean wasUncontended) {
    int h;
    // 如果当前线程随机数为0,强制初始化一个线程随机数
    // 这个随机数的作用就类似于hashcode,不过他不需要被查找
    // 下面每次循环都重新获取一个随机数,不会让线程都堵在同一个地方
    if ((h = ThreadLocalRandom.getProbe()) == 0) {
        ThreadLocalRandom.localInit();      
        h = ThreadLocalRandom.getProbe();
        // wasUncontended表示没有竞争
        // 如果为false表示之前CAS修改CounterCell失败,需要重新获取线程随机数
        wasUncontended = true;
    }
    
    // 直译为碰撞,如果他为true,则表示需要进行扩容
    boolean collide = false;      
    
    // 下面分为三种大的情况:
    // 1. 数组不为null,对应的子情况为CAS更新CounterCell失败或者countCell对象为null
    // 2. 数组为null,表示之前CAS更新baseCount失败,需要初始化数组
    // 3. 第二步获取不到锁,再次尝试CAS更新baseCount
    for (;;) {
        CounterCell[] as; CounterCell a; int n; long v;
        
        // 第一种情况:数组不为null
        if ((as = counterCells) != null && (n = as.length) > 0) {
            // 对应下标的CounterCell为null的情况
            if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                // 判断当前锁是否被占用
                // cellsBusy是一个自旋锁,0表示没被占用
                if (cellsBusy == 0) {    
                    // 创建CounterCell对象
                    CounterCell r = new CounterCell(x); 
                    // 尝试获取锁来添加一个新的CounterCell对象
                    if (cellsBusy == 0 &&
                        U.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1)) {
                        boolean created = false;
                        try {               
                            CounterCell[] rs; int m, j;
                            // recheck一次是否为null
                            if ((rs = counterCells) != null &&
                                (m = rs.length) > 0 &&
                                rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                rs[j] = r;
                                // created=true表示创建成功
                                created = true;
                            }
                        } finally {
                            // 释放锁
                            cellsBusy = 0;
                        }
                        // 创建成功也就是+1成功,直接返回
                        if (created)
                            break;
                        // 拿到锁后发现已经有别的线程插入数据了
                        // 继续循环,重来一次
                        continue;          
                    }
                }
                // 到达这里说明想创建一个对象,但是锁被占用
                collide = false;
            }
            // 之前直接CAS改变CounterCell失败,重新获取线程随机数,再循环一次
            else if (!wasUncontended)       // CAS already known to fail
                wasUncontended = true;      // Continue after rehash
            // 尝试对CounterCell进行CAS
            else if (U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))
                break;
            // 如果发生过扩容或者长度已经达到虚拟机最大可以核心数,直接认为无碰撞
            // 因为已经无法再扩容了
            // 所以并发线程数的理论最高值就是NCPU
            else if (counterCells != as || n >= NCPU)
                collide = false;            // At max size or stale
            // 如果上面都是false,说明发生了冲突,需要进行扩容
            else if (!collide)
                collide = true;
            // 获取自旋锁,并进行扩容
            else if (cellsBusy == 0 &&
                     U.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1)) {
                try {
                    if (counterCells == as) {// Expand table unless stale
                        // 扩大数组为原来的2倍
                        CounterCell[] rs = new CounterCell[n << 1];
                        for (int i = 0; i < n; ++i)
                            rs[i] = as[i];
                        counterCells = rs;
                    }
                } finally {
                    // 释放锁
                    cellsBusy = 0;
                }
                collide = false;
                // 继续循环
                continue;                   
            }
            
            // 这一步是重新hash,找下一个CounterCell对象
            // 上面每一步失败都会来到这里获取一个新的随机数
            h = ThreadLocalRandom.advanceProbe(h);
        }
        
        // 第二种情况:数组为null,尝试获取锁来初始化数组
        else if (cellsBusy == 0 && counterCells == as &&
                 U.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1)) {
            boolean init = false;
            try {
                // recheck判断数组是否为null
                if (counterCells == as) {
                    // 初始化数组
                    CounterCell[] rs = new CounterCell[2];
                    rs[h & 1] = new CounterCell(x);
                    counterCells = rs;
                    init = true;
                }
            } finally {
                // 释放锁
                cellsBusy = 0;
            }
            // 如果初始化完成,直接跳出循环,
            // 因为初始化过程中也包括了新建CounterCell对象
            if (init)
                break;
        }
        
        // 第三种情况:数组为null,但是拿不到锁,意味着别的线程在新建数组,尝试直接更新baseCount
        else if (U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, v = baseCount, v + x))
            // 更新成功直接返回
            break;                         
    }
}

源码的整体思路跟我们前面讲的是差不多的,细节上使用了很多的CAS+自旋锁来保证线程安全。上面的注释非常详细,这里就不再赘述。当初阅读源码看到这里,不得不佩服ConcurrentHashMap作者,我们可能觉得一个CAS+synchronize就解决了,但是他却想出了多线程同时更新的思路,配合CAS和自旋锁,在高并发环境下极大提高了性能。

如果说把一个变量拆分成多个子变量,利用多线程协作是一个很神奇的思路,那么多个线程同时协作完成扩容操作会不会更加神奇?ConcurrentHashMap不仅避开了并发的性能消耗,甚至利用上了并发的优势,多个线程一起帮忙完成一件事。那接下来就来看看ConcurrentHashMap的扩容方案。

扩容方案:transfer()

在讲扩容之前,需要补充两个知识点:siezeCtl和ForwardingNode。

sizeCtl在前面提到过,默认值为0,一般情况下表示ConcurrentHashMap的阈值,数组初始化时值为-1,当数组扩容时,表示为参与扩容的线程数。ConcurrentHashMap在扩容时把sizeCtl设置为一个很小的负数,并记住这个负数。线程参与扩容,该负数+1,线程退出该负数-1,这样就可以记住线程数了。一个变量维护四个状态,再次佩服ConcurrentHashMap的作者。

那这个负数设置为多少呢?有一个算法。看扩容时sizeCtl的初始化代码:

int rs = resizeStamp(n);// 这里n表示数组的长度
sizeCtl = rs << RESIZE_STAMP_SHIFT +2 ; // RESIZE_STAMP_SHIFT是一个常量,值为16

static final int resizeStamp(int n) {
    return Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1));
}

我们一点一点来看这个算法。

  • Integer.numberOfLeadingZeros(n)这个方法表示获取n最高位1前面0的数目,如8的32位二进制为00000000 0000000 00000000 00001000。那么返回就是28,前面有28个0。
  • RESIZE_STAMP_BITS-1值为15,1<<RESIZE_STAMP_BITS-1 的结果就是00000000 00000000 10000000 00000000
  • 假设n=8,那么Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1))的结果就是0000000 0000000 10000000 00011100,这个数字就称之为检验码,记为rs。
  • 最后执行rs << RESIZE_STAMP_SHIFT +2得到sizeCtl的最终值:10000000 000111000 000000000 00000010

我们会发现扩容时,高16位是校验码,低16位表示线程数,初始化时会+2,后续有新的线程加入会+1。那校验码有什么用?当我们需要判断当前数组是否正在扩容时,只需要判断sizeCtl>>>RESIZE_STAMP_BITS == rs就可以知道当前是否在扩容了。

然后再来看看ForwardingNode。看名字就知道他是一个节点类,他的作用是标记当前节点已经迁移完成。如下图:

ConcurrentHashMap会从后往前遍历并迁移,已经迁移完成的节点会被赋值为ForwardingNode,表示该节点下的所有数据已经迁移完成。ForwardingNode和普通的节点相似,但他的hash值为MOVED,也就是-1。还记得前面putVal吗?在插入的时候会判断当前节点是否是ForwardingNode,如果是则先帮忙迁移;否则如果正在扩容,说明扩容工作还没到达当前下标,那么可以直接插入。

了解完sizeCtl和ForwardingNode,那么就来看看ConcurrentHashMap的扩容方案。ConcurrentHashMap的扩容是多个线程协同工作的,提高了效率,如下图:

ConcurrentHashMap把整个数组进行分段,每个线程负责一段。bound表示该线程范围的下限,i表示当前正在迁移的下标。每一个迁移完成的节点都会被赋值ForwardingNode,表示迁移完成。stride表示线程迁移的“步幅”,当线程完成范围内的任务后,就会继续往前看看还有没有需要迁移的,transferIndex就是记录下个需要迁移的下标;当transferIndex==0时则表示不需要帮忙了。这就是ConcurrentHashMap扩容方案的核心思路了 。保证线程安全的思路和前面介绍的方法大同小异,都是通过 CAS+自旋锁+synchronize来实现的。

另外ConcurrentHashMap迁移链表与二叉树的思路与HashMap略有不同,这里就不展开讲了,了解了HashMap看ConcurrentHashMap的源码很容易理解他的思路,也是大同小异。扩容方案就不打算画整体流程图了,只要了解核心思路,其他都是细节的逻辑控制。我们直接来看源码分析。

首先要看到addCount方法,这个方法我们前面介绍过他自增的逻辑,但是下半部分扩容的逻辑我们没有介绍,现在来看一下:

private final void addCount(long x, int check) {
    ... // 总数+1逻辑
    
        // 这部分的逻辑主要是判断是否需要扩容
        // 同时保证只有一个线程能够创建新的数组
        // 其他的线程只能辅助迁移数据
    if (check >= 0) {
        Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
           // 当长度达到阈值且长度并未达到最大值时进行下一步扩容
        while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
               (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
            // 这个数配合后续的sizeCtr计算
            // 他的格式是第16位肯定为1,低15位表示n前面连续的0个数,我们前面介绍过
            int rs = resizeStamp(n);
            // 小于0表示正在扩容或者正在初始化,否则进入下一步抢占锁进行创建新数组
            if (sc < 0) {
                // 如果正在迁移右移16位后一定等于rs
                // ( sc == rs + 1 ||sc == rs + MAX_RESIZERS)这两个条件我认为不可能为true
                // 有兴趣可以点击下方网站查看
                // https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=JDK-8214427
                // nextTable==null说明下个数组还未创建
                // transferIndex<=0说明迁移已经够完成了
                // 符合以上情况的重新循环自旋
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                // 帮忙迁移,sc+1
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
            // 抢占锁进行扩容
            // 对rs检验码进行左移16位再+2,这部分我们在上面介绍过
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                         (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                // 抢占自旋锁成功,进行扩容
                transfer(tab, null);
            
            // 更新节点总数,继续循环
            s = sumCount();
        }
    }
}

上面的方法重点是利用sizeCtl充当自旋锁,保证只有一个现场能创建新的数组,而其他的线程只能协助迁移数组。那么下面的方法就是扩容方案的重点方法:

// 这里的两个参数:tab表示旧数组,nextTab表示新数组
// 创建新数组的线程nextTab==null,其他的线程nextTab等于第一个线程创建的数组
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
    int n = tab.length, stride;
    // stride表示每次前进的步幅,最低是16
    if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
        stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
    
    // 如果新的数组还未创建,则创建新数组
    // 只有一个线程能进行创建数组
    if (nextTab == null) {            
        try {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            // 扩展为原数组的两倍
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      
            // 扩容失败出现OOM,直接把阈值改成最大值
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        // 更改concurrentHashMap的内部变量nextTable
        nextTable = nextTab;
        // 迁移的起始值为数组长度
        transferIndex = n;
    }
    
    int nextn = nextTab.length;
    // 标志节点,每个迁移完成的数组下标都会设置为这个节点
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    // advance表示当前线程是否要前进
    // finish表示迁移是否结束
    // 官方的注释表示在赋值为true之前,必须再重新扫描一次确保迁移完成,后面会讲到
    boolean advance = true;
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    
    // i表示当前线程迁移数据的下标,bound表示下限,从后往前迁移
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        
        // 这个循环主要是判断是否需要前进,如果需要则CAS更改下个bound和i
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            // 如果还未到达下限或者已经结束了,advance=false
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            // 每一轮循环更新transferIndex的下标
            // 如果下一个下标是0,表示已经无需继续前进
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            }
            // 利用CAS更改bound和i继续前进迁移数据
            else if (U.compareAndSwapInt
                     (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                      nextBound = (nextIndex > stride ?
                                   nextIndex - stride : 0))) {
                bound = nextBound;
                i = nextIndex - 1;
                advance = false;
            }
        }
        
        // i已经达到边界,说明当前线程的任务已经完成,无需继续前进
        // 如果是第一个线程需要更新table引用
        // 协助的线程需要将sizeCtl减一再退出
        if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
            int sc;
            // 如果已经更新完成,则更新table引用
            if (finishing) {
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                // 同时更新sizeCtl为阈值
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                return;
            }
            // 线程完成自己的迁移任务,将sizeCtl减一
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                // 这里sc-2不等于校验码,说明此线程不是最后一个线程,还有其他线程正在扩容
                // 那么就直接返回,他任务已经完成了
                // 最后一个线程需要重新把整个数组再扫描一次,看看有没有遗留的
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                // finish设置为true表示已经完成
                // 这里把i设置为n,重新把整个数组扫描一次
                finishing = advance = true;
                i = n; // recheck before commit
            }
        }
        // 如果当前节点为null,表示迁移完成,设置为标志节点
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
            // 这里的设置有可能会失败,所以不能直接设置advance为true,需要再循环
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        // 当前节点是ForwardingNode,表示迁移完成,继续前进
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            advance = true; // already processed
        else {
            // 给头节点加锁,进行迁移
            // 加锁后下面的内容就不涉及并发控制细节了,就是纯粹的数据迁移
            // 思路和HashMap差不多,但也有一些不同,多了一个lastRun
            // 读者可以阅读一下下面源码,这部分比较容易理解
            synchronized (f) {
                // 上锁之后再判断一次看该节点是否还是原来那个节点
                // 如果不是则重新循环
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K,V> ln, hn;
                    // hash值大于等于0表示该节点是普通链表节点
                    if (fh >= 0) {
                        int runBit = fh & n;
                        Node<K,V> lastRun = f;
                        // ConcurrentHashMap并不是直接把整个链表分为两个
                        // 而是先把尾部迁移到相同位置的一段先拿出来
                        // 例如该节点迁移后的位置可能为 1或5 ,而链表的情况是:
                        // 1 -> 5 -> 1 -> 5 -> 5 -> 5
                        // 那么concurrentHashMap会先把最后的三个5拿出来,lastRun指针指向倒数第三个5
                        for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            int b = p.hash & n;
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b;
                                lastRun = p;
                            }
                        }
                        // 判断尾部整体迁移到哪个位置
                        if (runBit == 0) {
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        }
                        else {
                            hn = lastRun;
                            ln = null;
                        }
                        for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                            int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                            // 这个node节点是改造过的
                            // 相当于使用头插法插入到链表中
                            // 这里的头插法不须担心链表环,因为已经加锁了
                            if ((ph & n) == 0)
                                ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                            else
                                hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        // 链表构造完成,把链表赋值给数组
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        // 设置标志对象,表示迁移完成
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                    // 树节点的处理,和链表思路相同,不过他没有lastRun,直接分为两个链表,采用尾插法
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                        TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            }
                            else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }
                        ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

扩容是一个相对重量级的操作,他需要创建一个新的数组再把原来的节点一个个搬过去,在高并发环境下,如果直接对整个表上锁,会有很多线程被阻塞。而ConcurrentHashMap的设计使得多个线程可协同完成扩容操作,甚至扩容的同时还可以进行数据的读取与插入,极大提高了效率。和前面的拆分size变量有异曲同工之妙:利用多线程协同工作来提高效率

关于扩容还有另外一个方法:helpTransfer。顾名思义,就是帮忙扩容,在putVal方法中,遇到ForwardingNode对象会调用此方法。看完前面的源码,这部分的源码就简单多了,no bb,show the code:

final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
    Node<K,V>[] nextTab; int sc;
    // 判断当前节点为ForwardingNode,且已经创建新的数组
    if (tab != null && (f instanceof ForwardingNode) &&
        (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
        int rs = resizeStamp(tab.length);
        // sizeCtl<0表示还在扩容
        while (nextTab == nextTable && table == tab &&
               (sc = sizeCtl) < 0) {
            // 校验是否已经扩容完成或者已经推进到0,则不需要帮忙扩容
            if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                sc == rs + MAX_RESIZERS || transferIndex <= 0)
                break;
            // 尝试让让sc+1并帮忙扩容
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
                transfer(tab, nextTab);
                break;
            }
        }
        // 返回扩容之后的数组
        return nextTab;
    }
    // 若数组尚未初始化或节点非ForwardingNode,返回原数组
    return table;
}

到此扩容方案的源码就分析完毕了。扩容方案的思路虽然简单,但是需要有大量的逻辑控制来保证线程安全,所以源码量也非常多。关于ConcurrentHashMap的核心方法已经都分析完毕了,其他的如removereplace等思路都和上面讲过的大同小异,读者可自行阅读源码。

最后

到这里,关于concurrentHashMap的内容就基本讲完了。以后跟面试官吹水,就不只是一句ConcurrentHashMap是安全的就没有下文了。ConcurrentHashMap优秀的CAS+自旋锁+synchronize并发设计,是整个框架的重点所在。

看完ConcurrentHashMap的源码有什么用?当然是面试要问啊!《java编程思想》中提到,对于并发问题,如果不是专家,老老实实上个锁,不要整这些花里胡哨的。从ConcurrentHashMap的源码我们可以得知并发的问题,远远没有我们想的那么简单,他是一个非常复杂的问题。学习ConcurrentHashMap,也并不是要学他写一样的代码,除了面试,我想更重要的一点是感受编程的智慧。ConcurrentHashMap作者神奇的设计、严谨的代码,让我们得以拥有在并发环境下安全且高性能的ConcurrentHashMap可以使用。他的思想是,如果能在实际实践中运用到一点点,都是莫大的收获了。

现在,文章开头的两个问题,有答案了吗?

希望文章对你有帮助~

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