源码系列-ConcurrentHashMap源码
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结构
JDK1.8 的实现摒弃了Segment的概念，直接用Node数组 + 链表 + 红黑树的数据结构来实现，并发控制使用Synchronized和CAS来操作，
sizeCtl
用来控制table的初始化和扩容的操作，不同的值有不同的含义。
- table未初始化时：sizeCtl = 0或者 sizeCtl= capacity;
- table正在初始化：sizeCtl = -1;
- table初始化完成：sizeCtl = thresold;
- 当sizeCtl = − (1 + N)，表明正在有N条线程正在进行resize操作；
put()方法
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
//hash操作
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
//bitCount表示i处的节点数量，用来判断是否转换成红黑树
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {//CAS插入
Node<K,V> f; int n, i, fh;
//除非构造时指定初始化集合，否则默认构造不初始化table
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
//当前节点为NULL，CAS设置新头节点
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);
//当前节点正在扩容，让当前线程帮助扩容，扩容完指向新的table
else {
//正常插入到链表或者红黑树当中
V oldVal = null;
//对当前节点加锁
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {//表明是链表结点类型
binCount = 1;
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)
//onlyIfAbsent表示是新元素才加入，旧值不替换，默认为fase。
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
//加入链表尾部
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {//是红黑树
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)
//默认table的一个链表结点数超过8个数据结构会转为红黑树
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);//更新size，检测扩容
return null;
}
哈希算法
// &HASH_BITS是为了保证hash为正数
static final int spread(int h) {
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
初始化
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
if ((sc = sizeCtl) < 0)
// 多线程同时初始化（即sizeCtl = -1 )时，竞争失败的线程yield
Thread.yield();
// CAS设置 sizeCtl = -1
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);//扩容阈值为新容量的0.75倍
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
treeifyBin函数
treeifyBin函数对于节点数量过多的处理，与HashMap大体一致。
- table比较小时（小于MIN_TREEIFY_CAPACITY=64），先resize；
- table达到一定数量时，转换红黑树；（链表长度 > 8）
private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
Node<K,V> b; int n, sc;
if (tab != null) {
// 如果tab.length < MIN_TREEIFY_CAPACITY=64，先resize
if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
tryPresize(n << 1);
else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0)
//转换成红黑树
synchronized (b) {
if (tabAt(tab, index) == b) {
TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
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);
if ((p.prev = tl) == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
}
}
}
}
}
扩容
如果新增节点之后，所在的链表的元素个数大于等于8，则会调用treeifyBin把链表转换为红黑树。在转换结构时，若tab的长度小于MIN_TREEIFY_CAPACITY，默认值为64，则会将数组长度扩大到原来的两倍，并触发transfer，重新调整节点位置。（只有当tab.length >= 64, ConcurrentHashMap才会使用红黑树。）
// tab是旧table，nextTab是新table
private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
//stride表示每个线程处理桶的最小数目。
if (nextTab == null) { // initiating
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];//table两倍扩容
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
transferIndex = n;//扩容总进度，>=transferIndex的桶都已分配出去。
}
int nextn = nextTab.length;
ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
//advance表示是否迁移完成
boolean advance = true;
//finish表示扩容是否结束
boolean finishing = false;
for (int i = 0, bound = 0;;) {
//处理一个 stride 长度的任务，i 会被赋值为该 stride 内最大的下标，而 bound 会被赋值为该 stride 内最小的下标
//通过循环不断减小 i 的值，从右往左依次迁移桶上面的数据，直到 i 小于 bound 时结束该次长度为 stride 的迁移任务
//结束这次的任务后会通过外层 addCount、helpTransfer、tryPresize 方法的 while 循环达到继续领取其他任务的效果
Node<K,V> f; int fh;
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
//transferIndex <= 0 说明数组的hash桶已被线程分配完毕，没有了待分配的hash桶，将 i 设置为 -1 ，后面的代码根据这个数值退出当前线的扩容操作
i = -1;
advance = false;//false表示没处理完当前桶
}
//只有首次进入for循环才会进入这个判断里面去，设置 bound 和 i 的值，也就是领取到的迁移任务的数组区间
else if (U.compareAndSwapInt
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
//确定当前线程每次分配的待迁移桶的范围为[bound, nextIndex)
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1;
advance = false;
}
}
// i<0表示当前线程的任务已经做完，后两个判断是边界检查
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
if (finishing) {
//扩容结束后做后续工作，将 nextTable 设置为 null，表示扩容已结束，将 table 指向新数组，sizeCtl 设置为扩容阈值
nextTable = null;
table = nextTab;
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
return;
}
//每当一条线程扩容结束就会更新一次 sizeCtl 的值，进行减 1 操作
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
//如果下面为false，说明该线程不是扩容大军里面的最后一条线程，直接return
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
return;
//如果为true，修改标志位，并且重新检查有没有遗漏的
finishing = advance = true;
i = n; // recheck before commit
//重新检查一遍
//正常情况下，tab应该全都是ForwardingNode
//如果出现问题，多个线程同时申请到了一个transfer，此时当前线程领取的任务作废
//重新检查时候要处理作废而没被迁移的桶
}
}
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
//桶为null，直接放一个ForwardingNode
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
//数组上遇到hash值为MOVED，也就是 -1 的位置，说明该位置已经被其他线程迁移过了，
//将 advance 设置为 true ，以便继续往下一个桶检查并进行迁移操作
advance = true; // already processed
else {
//数据迁移
synchronized (f) {
//桶内元素迁移加锁
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node<K,V> ln, hn;
if (fh >= 0) {
//fh >= 0说明是链表
int runBit = fh & n;//n是2的幂次，所以runBit只能为1或者0
Node<K,V> lastRun = f;//lastRun指向最后一个相邻runBit不同的节点
for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
//遍历整条链表，找出 lastRun 节点
int b = p.hash & n;
if (b != runBit) {
runBit = b;
lastRun = p;
}
}
if (runBit == 0) {
ln = lastRun;
hn = null;
}
else {
hn = lastRun;
ln = null;
}
//头插，以lastRun分界拆成hn和ln
for (Node<K,V> 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<K,V>(ph, pk, pv, ln);
//四个参数分别是hash值，key，value，next节点，所以是头插法
else
hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
}
setTabAt(nextTab, i, ln);
//ln 链设置到新数组下标为 i 的位置上
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
//hn 链设置到新数组下标为 i + n(n为原数组长度) 的位置上
setTabAt(tab, i, fwd);
//在原table中设置ForwardingNode节点以提示该桶扩容完成。
advance = true;
//advance 设置为 true 表示当前 hash 桶已处理完，可以继续处理下一个 hash 桶
}
else if (f instanceof TreeBin) {
//红黑树处理与链表类似
//同样也是使用高位和低位两条链表进行迁移
//在迁移过程中，判断是否需要转换成红黑树
//1、如果符合条件则直接将 TreeNode 链表转为红黑树，再设置到新数组中去
//2、如果不符合条件则将 TreeNode 转换为普通的 Node 节点，再将该普通链表设置到新数组中去
......
}
}
}
}
}
}
ForwardingNode的作用：
- 占位作用，用于标识数组该位置的桶已经迁移完毕，处于扩容中的状态。
- 作为一个转发的作用，扩容期间如果遇到查询操作，遇到转发节点，会把该查询操作转发到新的数组上去，不会阻塞查询操作
多线程下扩容分配如图所示：
size统计
ConcurrentHashMap的元素个数等于baseCounter和数组里每个CounterCell的值之和，这样做的原因是，当多个线程同时执行CAS修改baseCount值，失败的线程会将值放到CounterCell中。在计算 size 的时候，会将 baseCount 和 CounterCell 数组中的元素的 value 累加，得到总的大小，但这个数字仍旧可能是不准确的。
private transient volatile long baseCount;
private final void addCount(long x, int check) {
CounterCell[] as; long b, s;
// 如果cas修改 baseCount 失败
if ((as = counterCells) != null ||
!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
CounterCell a; long v; int m;
boolean uncontended = true;
// 如果计数盒子是空（尚未出现并发）
// 如果随机取余一个数组位置为空 或者
// 修改这个槽位的变量失败（出现并发了）
// 执行 fullAddCount 方法。并结束
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();
}
// 如果需要检查,检查是否需要扩容，在 putVal 方法调用时，默认就是要检查的。
if (check >= 0) {
Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
// 如果map.size() 大于 sizeCtl（达到扩容阈值需要扩容） 且
// table 不是空；且 table 的长度小于 1 << 30。（可以扩容）
while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
// 根据 length 得到一个标识
int rs = resizeStamp(n);
// 如果正在扩容
if (sc < 0) {
// 如果 sc 的低 16 位不等于 标识符（校验异常 sizeCtl 变化了）
// 如果 sc == 标识符 + 1 （扩容结束了，不再有线程进行扩容）（默认第一个线程设置 sc ==rs 左移 16 位 + 2，当第一个线程结束扩容了，就会将 sc 减一。这个时候，sc 就等于 rs + 1）
// 如果 sc == 标识符 + 65535（帮助线程数已经达到最大）
// 如果 nextTable == null（结束扩容了）
// 如果 transferIndex <= 0 (转移状态变化了)
// 结束循环
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
// 如果可以帮助扩容，那么将 sc 加 1. 表示多了一个线程在帮助扩容
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
// 扩容
transfer(tab, nt);
}
// 如果不在扩容，将 sc 更新：标识符左移 16 位 然后 + 2. 也就是变成一个负数。高 16 位是标识符，低 16 位初始是 2.
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
// 更新 sizeCtl 为负数后，开始扩容。
transfer(tab, null);
s = sumCount();
}
}
}
CounterCell：使用了@sun.misc.Contended标记的类，内部包含一个volatile变量。@sun.misc.Contended这个注解标识着这个类防止需要防止 “伪共享”。
缓存系统中是以缓存行（cache line）为单位存储的。缓存行是2的整数幂个连续字节，一般为32-256个字节。最常见的缓存行大小是64个字节。当多线程修改互相独立的变量时，如果这些变量共享同一个缓存行，就会无意中影响彼此的性能，这就是伪共享。