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ConcurrentHashMap
|并发

多线程环境下如何解决HashMap线程安全的问题？

  • 使用Collections.synchronizedMap(Map)创建线程安全的map集合；

    private final Map<K,V> m;     // Backing Map
    final Object      mutex;        // Object on which to synchronize

    SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
        this.m = Objects.requireNonNull(m);
        mutex = this;
    }

    SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
        this.m = m;
        this.mutex = mutex;
    }

    在SynchronizedMap内部维护了一个普通对象Map和排斥锁mutex，并且有两个构造器，如果传入了mutex参数，则将对象排斥锁赋值为传入的对象；如果没有，则将对象排斥锁赋值为this。创建出SynchronizedMap后，再操作map时，会对方法上锁。

    public int size() {
        synchronized (mutex) {return m.size();}
    }
    public boolean isEmpty() {
        synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
    }
    public boolean containsKey(Object key) {
        synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
    }
    public boolean containsValue(Object value) {
        synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
    }
    public V get(Object key) {
        synchronized (mutex) {return m.get(key);}
    }

  • Hashtable

    效率低，因为在对数据操作时都会上锁。

    与HashMap的区别：

    实现方式不同：Hashtable继承了Dictionary类，HashMap继承的是AbstractMap类；

    初始化容量不同：HashMap的初始容量为16，Hashtable为11，二者的负载因子默认都是0.75；

    扩容机制不同：当现有容量大于总容量*负载因子时，HashMap的扩容规则为当前容量翻倍，Hashtable为当前容量翻倍 + 1；

    迭代器不同：HashMap中的Iterator迭代器是fail-fast的，而Hashtable的Enumerator不是fail-fast的；

    Hashtable不允许键或值为null，HashMap的键值都可以为null；

    原因：Hashtable在put空值时会抛出空指针异常，Hashtable使用的是安全失败机制fail-safe，这种机制会使此次读到的数据不一定是最新的数据。如果使用null值，就会使其无法判断对应的key是不存在还是为空，ConcurrentHashMap同理。

    fail-fast：

    是Java集合中的一种机制，在用迭代器遍历一个集合对象时，如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改（增加、删除、修改），则会抛出Concurrent Modification Exception。

    原理：迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历。

    使用场景：java.util包下的集合类都是fail-fast的，不能在多线程下并发修改。

    fail-safe：

    遍历基于容器的一个克隆，对容器内容的修改不影响遍历。java.util.concurrent包下的容器都是fail-safe的，在多线程下并发修改，例如，ConcurrentHashMap，CopyOnWrite等。

  • ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap

1.7

JDK7-ConcurrentHashMap

由Segment数组和HashEntry组成，基于数组+链表，采用了分段锁技术，Segment继承于ReentrantLock。Segment 的个数一但初始化就不能改变。

put()：尝试获取锁，获取失败则利用scanAndLockForPut()自旋获取锁，如果重试次数达到了MAX_SCAN_RETRIES，则改为阻塞锁获取，保证能获取成功；在Segment中通过key的hashcode定位到HashEntry；遍历该HashEntry，如果不为空则判断传入的key和当前遍历的key是否相等，相等则覆盖旧的value；为空则需要新建一个HashEntry并加入到Segment中，同时会先判断是否需要扩容；释放锁。

get()：key通过hash定位到具体的Segment，再通过一次hash定位到具体元素上，因为HashEntry的value属性是用volatile修饰的，保证了内存可见性，所以每次获取时都是最新值。get的整个过程不需要加锁。

缺点：查询是需要遍历链表，效率较低；

1.8

JDK8-ConcurrentHashMap

使用CAS + Synchronized保证线程安全。HashEntry改为Node，但作用不变，并且也引入了红黑树。

初始化

初始化通过自旋+CAS完成，变量sizeCtl决定当前初始化状态

-1 说明正在初始化；

-N 说明有N-1个线程正在进行扩容；

表示 table 初始化大小，如果 table 没有初始化；

表示 table 容量，如果 table　已经初始化；

/**
  * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
  */
private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        // 　如果sizeCtl < 0 ,说明另外的线程执行CAS成功，正在进行初始化
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            // 让出CPU使用权
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                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;
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

put

public V put(K key, V value) {
    return putVal(key, value, false);
}

/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // key 和 value 不能为空
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        // f 代表目标位置元素
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            // 数组桶为空，初始化数组桶（自旋+CAS)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 桶内为空，CAS 放入，不加锁，成功了就直接 break 跳出
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            // 使用 synchronized 加锁加入节点
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 说明是链表
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        // 循环加入新的或者覆盖节点
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    // 红黑树
                    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;
                        }
                    }
                }
            }
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

put()：根据key计算出hashcode；判断是否需要进行初始化；根据key定位，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用CAS尝试写入，失败则自旋保证成功；如果当前位置的hashcode == MOVED == -1，则需要进行扩容；如果都不满足，则利用synchronized锁写入数据；如果数量大于TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树。

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    // key 所在的 hash 位置
    int h = spread(key.hashCode());
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
        // 如果指定位置元素存在，头结点hash值相同
        if ((eh = e.hash) == h) {
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                // key hash 值相等，key值相同，直接返回元素 value
                return e.val;
        }
        else if (eh < 0)
            // 头结点hash值小于0，说明正在扩容或者是红黑树，find查找
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {
            // 是链表，遍历查找
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;
}

get()：根据计算出来的hashcode寻址，如果在桶上（头结点）就直接返回；如果是红黑树就按照树的方式获取值；都不满足就按照链表方式获取值。

public V put(K key, V value) {
    return putVal(key, value, false);
}

    /** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    //ConcurrentHashMap 不允许插入null键，HashMap允许插入一个null键
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    //计算key的hash值
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    //for循环的作用：因为更新元素是使用CAS机制更新，需要不断的失败重试，直到成功为止。
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        // f：链表或红黑二叉树头结点，向链表中添加元素时，需要synchronized获取f的锁。
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        //判断Node[]数组是否初始化，没有则进行初始化操作
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        //通过hash定位Node[]数组的索引坐标，是否有Node节点，如果没有则使用CAS进行添加（链表的头结点），添加失败则进入下次循环。
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
        //检查到内部正在移动元素（Node[] 数组扩容）
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            //帮助它扩容
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
            //锁住链表或红黑二叉树的头结点
            synchronized (f) {
                //判断f是否是链表的头结点
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    //如果fh>=0 是链表节点
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        //遍历链表所有节点
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            //如果节点存在，则更新value
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            //不存在则在链表尾部添加新节点。
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    //TreeBin是红黑二叉树节点
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        //添加树节点
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                      value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            
            if (binCount != 0) {
                //如果链表长度已经达到临界值8 就需要把链表转换为树结构
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    //将当前ConcurrentHashMap的size数量+1
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}
  1. 判断Node[]数组是否初始化，没有则进行初始化操作
  2. 通过hash定位Node[]数组的索引坐标，是否有Node节点，如果没有则使用CAS进行添加（链表的头结点），添加失败则进入下次循环。
  3. 检查到内部正在扩容，如果正在扩容，就帮助它一块扩容。
  4. 如果f!=null，则使用synchronized锁住f元素（链表/红黑二叉树的头元素）f是目标位置元素
    4.1 如果是Node(链表结构)则执行链表的添加操作。
    4.2 如果是TreeNode(树型结果)则执行树添加操作。
  5. 判断链表长度已经达到临界值8 就需要把链表转换为树结构。
Author: Jiayi Yang
Link: https://jiayiy.github.io/2020/08/06/ConcurrentHashMap/
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