Java8 ConcurrentHashMap源码解析

重要属性和内部类

// 默认为 0
// 当初始化时, 为 -1
// 当扩容时, 为 -(1 + 扩容线程数)
// 当初始化或扩容完成后，为 下一次的扩容的阈值大小
private transient volatile int sizeCtl;
// 整个 ConcurrentHashMap 就是一个 Node[]
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {}
// hash 表
transient volatile Node<K,V>[] table;
// 扩容时的 新 hash 表
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
// 扩容时如果某个 bin 迁移完毕, 用 ForwardingNode 作为旧 table bin 的头结点
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {}
// 用在 compute 以及 computeIfAbsent 时, 用来占位, 计算完成后替换为普通 Node
static final class ReservationNode<K,V> extends Node<K,V> {}
// 作为 treebin 的头节点, 存储 root 和 first
static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {}
// 作为 treebin 的节点, 存储 parent, left, right
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {}

重要方法

// 获取 Node[] 中第 i 个 Node
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i)// cas 修改 Node[] 中第 i 个 Node 的值, c 为旧值, v 为新值
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> c, Node<K,V> v)// 直接修改 Node[] 中第 i 个 Node 的值, v 为新值
static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v)

构造器分析

可以看到实现了懒惰初始化，在构造方法中仅仅计算了 table 的大小，以后在第一次使用时才会真正创建。

  public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) {if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)throw new IllegalArgumentException();if (initialCapacity < concurrencyLevel) // Use at least as many binsinitialCapacity = concurrencyLevel; // as estimated threadslong size = (long) (1.0 + (long) initialCapacity / loadFactor);// tableSizeFor 仍然是保证计算的大小是 2^n, 即 16,32,64 ... int cap = (size >= (long) MAXIMUM_CAPACITY) ?MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int) size);this.sizeCtl = cap;}

get 流程

   public V get(Object key) {Node<K, V>[] tab;Node<K, V> e, p;int n, eh;K ek;// spread 方法能确保返回结果是正数int h = spread(key.hashCode());if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {// 如果头结点已经是要查找的 keyif ((eh = e.hash) == h) {if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))return e.val;}// hash 为负数表示该 bin 在扩容中或是 treebin, 这时调用 find 方法来查找else if (eh < 0)return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;// 正常遍历链表, 用 equals 比较while ((e = e.next) != null) {if (e.hash == h &&((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))return e.val;}}return null;}

put 流程

以下数组简称（table），链表简称（bin）。

  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();// 其中 spread 方法会综合高位低位, 具有更好的 hash 性int hash = spread(key.hashCode());int binCount = 0;for (Node<K, V>[] tab = table; ; ) {// f 是链表头节点// fh 是链表头结点的 hash// i 是链表在 table 中的下标Node<K, V> f;int n, i, fh;// 要创建 tableif (tab == null || (n = tab.length) == 0)// 初始化 table 使用了 cas, 无需 synchronized 创建成功, 进入下一轮循环tab = initTable();// 要创建链表头节点else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {// 添加链表头使用了 cas, 无需 synchronizedif (casTabAt(tab, i, null,new Node<K, V>(hash, key, value, null)))break;}// 帮忙扩容else if ((fh = f.hash) == MOVED)// 帮忙之后, 进入下一轮循环tab = helpTransfer(tab, f);else {V oldVal = null;// 锁住链表头节点synchronized (f) {// 再次确认链表头节点没有被移动if (tabAt(tab, i) == f) {// 链表if (fh >= 0) {binCount = 1;// 遍历链表for (Node<K, V> e = f; ; ++binCount) {K ek;// 找到相同的 keyif (e.hash == hash &&((ek = e.key) == key ||(ek != null && key.equals(ek)))) {oldVal = e.val;// 更新if (!onlyIfAbsent)e.val = value;break;}Node<K, V> pred = e;// 已经是最后的节点了, 新增 Node, 追加至链表尾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;// putTreeVal 会看 key 是否已经在树中, 是, 则返回对应的 TreeNodeif ((p = ((TreeBin<K, V>) f).putTreeVal(hash, key,value)) != null) {oldVal = p.val;if (!onlyIfAbsent)p.val = value;}}}// 释放链表头节点的锁}if (binCount != 0) {if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)// 如果链表长度 >= 树化阈值(8), 进行链表转为红黑树treeifyBin(tab, i);if (oldVal != null)return oldVal;break;}}}// 增加 size 计数addCount(1L, binCount);return null;}private final Node<K, V>[] initTable() {Node<K, V>[] tab;int sc;while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {if ((sc = sizeCtl) < 0)Thread.yield();// 尝试将 sizeCtl 设置为 -1（表示初始化 table）else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {// 获得锁, 创建 table, 这时其它线程会在 while() 循环中 yield 直至 table 创建try {if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n];table = tab = nt;sc = n - (n >>> 2);}} finally {sizeCtl = sc;}break;}}return tab;}// check 是之前 binCount 的个数private final void addCount(long x, int check) {CounterCell[] as;long b, s;if (// 已经有了 counterCells, 向 cell 累加(as = counterCells) != null ||// 还没有, 向 baseCount 累加!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {CounterCell a;long v;int m;boolean uncontended = true;if (// 还没有 counterCellsas == null || (m = as.length - 1) < 0 ||// 还没有 cell(a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||// cell cas 增加计数失败!(uncontended = U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {// 创建累加单元数组和cell, 累加重试fullAddCount(x, uncontended);return;}if (check <= 1)return;// 获取元素个数s = sumCount();}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;// newtable 已经创建了，帮忙扩容if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))transfer(tab, nt);}// 需要扩容，这时 newtable 未创建else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))sizeCtl = sc;}break;}}return tab;
}// check 是之前 binCount 的个数private final void addCount(long x, int check) {CounterCell[] as;long b, s;if (// 已经有了 counterCells, 向 cell 累加(as = counterCells) != null ||// 还没有, 向 baseCount 累加!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {CounterCell a;long v;int m;boolean uncontended = true;if (// 还没有 counterCellsas == null || (m = as.length - 1) < 0 ||// 还没有 cell(a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||// cell cas 增加计数失败!(uncontended = U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {// 创建累加单元数组和cell, 累加重试fullAddCount(x, uncontended);return;}if (check <= 1)return;// 获取元素个数s = sumCount();}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;// newtable 已经创建了，帮忙扩容if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))transfer(tab, nt);}// 需要扩容，这时 newtable 未创建else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))transfer(tab, null);s = sumCount();}}
}

size 计算流程

size 计算实际发生在 put，remove 改变集合元素的操作之中。

• 没有竞争发生，向 baseCount 累加计数。

• 有竞争发生，新建 counterCells，向其中的一个 cell 累加计数。

  • counterCells 初始有两个 cell。

  • 如果计数竞争比较激烈，会创建新的 cell 来累加计数。

public int size() {long n = sumCount();return ((n < 0L) ? 0 :(n > (long) Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :(int) n);}final long sumCount() {CounterCell[] as = counterCells;CounterCell a;// 将 baseCount 计数与所有 cell 计数累加long sum = baseCount;if (as != null) {for (int i = 0; i < as.length; ++i) {if ((a = as[i]) != null)sum += a.value;}}return sum;}

Java 8 数组（Node） +（ 链表 Node | 红黑树 TreeNode ） 以下数组简称（table），链表简称（bin）

• 初始化，使用 cas 来保证并发安全，懒惰初始化 table

• 树化，当 table.length < 64 时，先尝试扩容，超过 64 时，并且 bin.length > 8 时，会将链表树化，树化过程会用 synchronized 锁住链表头。

• put，如果该 bin 尚未创建，只需要使用 cas 创建 bin；如果已经有了，锁住链表头进行后续 put 操作，元素添加至 bin 的尾部。

• get，无锁操作仅需要保证可见性，扩容过程中 get 操作拿到的是 ForwardingNode 它会让 get 操作在新table 进行搜索。

• 扩容，扩容时以 bin 为单位进行，需要对 bin 进行 synchronized，但这时妙的是其它竞争线程也不是无事可做，它们会帮助把其它 bin 进行扩容，扩容时平均只有 1/6 的节点会把复制到新 table 中。

• size，元素个数保存在 baseCount 中，并发时的个数变动保存在 CounterCell[] 当中。最后统计数量时累加即可。