JAVA之ConcurrentHashMap源码深度分析

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我们首先来看一下ConcurrentHashMap类的声明：

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V>
implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable

其中，这个类继承了java.util.AbstractMap中已有的实现，这个在前面整理HashMap的时候已经提过了，重点看后面实现的接口ConcurrentMap和Serializable。Serializable是做序列化处理的，而ConcurrentMap的定义又如下:

public interface ConcurrentMap<K, V> extends Map<K, V> {

V putIfAbsent(K key, V value);

boolean remove(Object key, Object value);

boolean replace(K key, V oldValue, V newValue);

V replace(K key, V value);
}

其中规定了4个方法。

V putIfAbsent(K key, V value); 如果没有这个key，则放入这个key-value，返回null，否则返回key对应的value。

boolean remove(Object key, Object value); 移除key和对应的value，如果key对应的不是value，移除失败

boolean replace(K key, V oldValue, V newValue); 替代key对应的值，仅当当前值为旧值

V replace(K key, V value); 替代key对应的值，只要当前有值

这些方法都在ConcurrentHashMap实现了，后文会部分提到这些。

1. 构造方法和ConcurrentHashMap的Segment实现

先看下构造方法:

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel)

有几个重载的方法，说这个参数最全的，有3个参数，除了HashMap中涉及到的loadFactor和initialCapacity外，还有一个concurrencyLevel，翻译过来就是并发级别或者并发度。

与此对应，ConcurrentHashMap中有一个segments数组对象，元素类型是ConcurrentHashMap的内部类Segment，而concurrencyLevel就是这个segments数组的大小。

我们来看下这个Segment类:

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable

Segment扩展了ReentrantLock并实现了Serializable接口。除此之外，我们还发现这个类里实现的东西和java.util.HashMap非常相似。

实际上，这个类正是整个ConcurrentHashMap实现的关键。我想，作为这篇文章读者的您，应该会用到过各式各样的数据库，就拿Mysql的innoDB引擎来看，它除了支持表级锁意外，还支持行级锁，意义就在于这减小了锁粒度，当只对某行数据进行操作的时候，很可能没有必要限制同一个表中其它行的数据。在这个类中，这个Segment也是起到了同样的作用。每个Segment本身就是一个ReentrantLock，只有要修改的数据存在在同一个Segment，才有可能会需要锁定，这样就提高了多线程情况下效率，没必要所有线程全部等待锁。

2. get()方法源码分析

我们先看下get()方法的实现。

public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
(tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
e != null; e = e.next) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
return e.value;
}
}
return null;
}

实际上，就是通过key计算得到的hash值，确定对应的Segment对象，并用原子操作获取到对应的table和table中hash值对应的对象。

我们可以看到，在这个过程中，是没有显式用到锁的，仅仅是通过Unsafe类和原子操作，避免了阻塞，提高了性能。

3. put()和putIfAbsent()方法分析

先看下put()方法的源码：

public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}

我们看到其中最后是使用Segment的put()方法的调用，而putIfAbsent()的方法的调用，仅仅是最后一个参数不同。

我们进一步看下Segment的put()方法的调用：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
e = e.next;
}
else {
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}

和java.util.HashMap比起来，基本类似，有两个地方不同。一个是对onlyIfAbsent参数的判断处理。另一个则是对整个操作过程加锁，并在加锁的地方做了稍微巧妙的处理。就是在在等锁的过程中，不断的寻找和构建node节点对象，不管是否这个方法最终是否创建到了node节点，当这个方法返回时，一定是已经获得了这个Segment对应的锁。

而这个寻找和创建节点所在的循环，一方面是做节点的遍历查询，另一方面也是起到了自旋锁的作用，避免直接调用lock()而等锁阻塞，因为这样会在系统实现层面阻塞和唤醒线程，是有一定的切换成本的，对提高效率不利。

4. 综述

其实，纵观整个类的实现，都肯定会涉及到Segment的处理和其中方法的调用。对这些方法的调用，分为读操作和写处理，通常读操作没用用锁，而在修改操作，如remove() replace()等方法都和put()类似，在整个操作过程中对Segment进行了尝试加锁和自旋等锁的前提操作，并最后释放锁。这些写操作的等锁基本上和put()中的scanAndLockForPut()方法等同，除了需要创建节点。

从整体上看，由于Segment降低了并发中的锁粒度，并在写操作使用了锁。保证了整个ConcurrentHashMap的线程安全，也保证了并发运行时的效率。

5. 其它

在java.util.conccurent包中并没有TreeMap，但对于有序要求的容器，有基于skip list数据结构的Map实现ConcurrentSkipListMap，而且也有skip list的ConcurrentSkipListSet，和java.util包中的Set一样，是基于Map的。