ConcurrentHashMap原理分析

ConcurrentHashMap的目标是实现支持高并发、高吞吐量的线程安全的HashMap。当然不能直接对整个hashtable加锁，所以在ConcurrentHashMap中，数据的组织结构和HashMap有所区别

大家都知道，HashMap中未进行同步考虑，而Hashtable则使用了synchronized，带来的直接影响就是可选择，我们可以在单线程时使用HashMap提高效率，而多线程时用Hashtable来保证安全。
当我们享受着jdk带来的便利时同样承受它带来的不幸恶果。通过分析Hashtable就知道，synchronized是针对整张Hash表的，即每次锁住整张表让线程独占，安全的背后是巨大的浪费，慧眼独具的Doug
Lee立马拿出了解决方案----ConcurrentHashMap。
ConcurrentHashMap和Hashtable主要区别就是围绕着锁的粒度以及如何锁。如图



左边便是Hashtable的实现方式---锁整个hash表；而右边则是ConcurrentHashMap的实现方式---锁桶（或段）。ConcurrentHashMap将hash表分为16个桶（默认值），诸如get,put,remove等常用操作只锁当前需要用到的桶。试想，原来只能一个线程进入，现在却能同时16个写线程进入（写线程才需要锁定，而读线程几乎不受限制，之后会提到），并发性的提升是显而易见的。
更令人惊讶的是ConcurrentHashMap的读取并发，因为在读取的大多数时候都没有用到锁定，所以读取操作几乎是完全的并发操作，而写操作锁定的粒度又非常细，比起之前又更加快速（这一点在桶更多时表现得更明显些）。只有在求size等操作时才需要锁定整个表。而在迭代时，ConcurrentHashMap使用了不同于传统集合的快速失败迭代器的另一种迭代方式，我们称为弱一致迭代器。在这种迭代方式中，当iterator被创建后集合再发生改变就不再是抛出ConcurrentModificationException，取而代之的是在改变时new新的数据从而不影响原有的数据，iterator完成后再将头指针替换为新的数据，这样iterator线程可以使用原来老的数据，而写线程也可以并发的完成改变，更重要的，这保证了多个线程并发执行的连续性和扩展性，是性能提升的关键。
接下来，让我们看看ConcurrentHashMap中的几个重要方法，心里知道了实现机制后，使用起来就更加有底气。
ConcurrentHashMap中主要实体类就是三个：ConcurrentHashMap（整个Hash表）,Segment（桶），HashEntry（节点），对应上面的图可以看出之间的关系。
get方法（请注意，这里分析的方法都是针对桶的，因为ConcurrentHashMap的最大改进就是将粒度细化到了桶上），首先判断了当前桶的数据个数是否为0，为0自然不可能get到什么，只有返回null，这样做避免了不必要的搜索，也用最小的代价避免出错。然后得到头节点（方法将在下面涉及）之后就是根据hash和key逐个判断是否是指定的值，如果是并且值非空就说明找到了，直接返回；程序非常简单，但有一个令人困惑的地方，这句return
readValueUnderLock(e)到底是用来干什么的呢？研究它的代码，在锁定之后返回一个值。但这里已经有一句V v =
e.value得到了节点的值，这句return
readValueUnderLock(e)是否多此一举？事实上，这里完全是为了并发考虑的，这里当v为空时，可能是一个线程正在改变节点，而之前的get操作都未进行锁定，根据bernstein条件，读后写或写后读都会引起数据的不一致，所以这里要对这个e重新上锁再读一遍，以保证得到的是正确值，这里不得不佩服Doug
Lee思维的严密性。整个get操作只有很少的情况会锁定，相对于之前的Hashtable，并发是不可避免的啊！
V get(Object key, int hash)
{
if
(count != 0) { //
read-volatile
HashEntry
e =
getFirst(hash);
while
(e != null)
{
if
(e.hash == hash && key.equals(e.key))
{
V
v =
e.value;
if
(v !=
null)
return
v;
return
readValueUnderLock(e); //
recheck
}
e
=
e.next;
}
}
return
null;
}
V readValueUnderLock(HashEntry e)
{
lock();
try
{
return
e.value;
}
finally
{
unlock();
}
}
put操作一上来就锁定了整个segment，这当然是为了并发的安全，修改数据是不能并发进行的，必须得有个判断是否超限的语句以确保容量不足时能够rehash，而比较难懂的是这句int
index = hash & (tab.length -
1)，原来segment里面才是真正的hashtable，即每个segment是一个传统意义上的hashtable,如上图，从两者的结构就可以看出区别，这里就是找出需要的entry在table的哪一个位置，之后得到的entry就是这个链的第一个节点，如果e!=null，说明找到了，这是就要替换节点的值（onlyIfAbsent
==
false），否则，我们需要new一个entry，它的后继是first，而让tab[index]指向它，什么意思呢？实际上就是将这个新entry插入到链头，剩下的就非常容易理解了。
V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent)
{
lock();
try
{
int
c =
count;
if
(c++ > threshold) // ensure
capacity
rehash();
HashEntry[]
tab =
table;
int
index = hash & (tab.length -
1);
HashEntry
first = (HashEntry)
tab[index];
HashEntry
e =
first;
while
(e != null && (e.hash != hash ||
!key.equals(e.key)))
e
= e.next;
V
oldValue;
if
(e != null)
{
oldValue
=
e.value;
if
(!onlyIfAbsent)
e.value
=
value;
}
else
{
oldValue
=
null;
++modCount;
tab[index]
= new HashEntry(key, hash, first,
value);
count
= c; //
write-volatile
}
return
oldValue;
}
finally
{
unlock();
}
}
remove操作非常类似put，但要注意一点区别，中间那个for循环是做什么用的呢？（*号标记）从代码来看，就是将定位之后的所有entry克隆并拼回前面去，但有必要吗？每次删除一个元素就要将那之前的元素克隆一遍？这点其实是由entry的不变性来决定的，仔细观察entry定义，发现除了value，其他所有属性都是用final来修饰的，这意味着在第一次设置了next域之后便不能再改变它，取而代之的是将它之前的节点全都克隆一次。
V remove(Object key, int hash, Object value)
{
lock();
try
{
int
c = count -
1;
HashEntry[]
tab =
table;
int
index = hash & (tab.length -
1);
HashEntry
first =
(HashEntry)tab[index];
HashEntry
e =
first;
while
(e != null && (e.hash != hash ||
!key.equals(e.key)))
e
= e.next;
V
oldValue =
null;
if
(e != null)
{
V
v =
e.value;
if
(value == null || value.equals(v))
{
oldValue
=
v;
//
All entries following removed node can
stay
//
in list, but all preceding ones need to
be
//
cloned.
++modCount;
HashEntry
newFirst =
e.next;
* for
(HashEntry p = first; p != e; p =
p.next)
* newFirst
= new HashEntry(p.key,
p.hash,
newFirst,
p.value);
tab[index]
=
newFirst;
count
= c; //
write-volatile
}
}
return
oldValue;
}
finally
{
unlock();
}
}

static final class HashEntry {
final K key;
final int hash;
volatile V value;
final HashEntry next;

HashEntry(K key, int hash, HashEntry next, V value) {
this.key = key;
this.hash = hash;
this.next = next;
this.value = value;
}
}

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