ConcurrentHashMap实现原理以及源码分析

ConcurrentHashMap是HashMap的高并发版本，是线程安全的，而HashMap是非线程安全的

一、底层实现

底层结构跟hashmap一样，都是通过数组+链表+红黑树实现的，不过它要保证线程安全性，所以在源码上要复杂一些

线程安全是通过CAS和synchronized实现的

源码分析

相关节点

• Node：该类用于构造table[]，只读节点（不提供修改方法）。
• TreeBin：红黑树结构。
• TreeNode：红黑树节点。
• ForwardingNode：临时节点（扩容时使用）。

table

    transient volatile Node<K,V>[] table;

所有的数据都存放在table中，table的容量会根据实际情况进行扩容，table[i]存放的类型有一下三种

• TreeBin用于包装红黑树的节点类型
• ForWardingNode扩容时存放的节点类型，并发扩容实现关键之一
• Node普通节点类型，表示链表头节点

sizeCtl

    private transient volatile int sizeCtl;
    

默认为0，用来控制table的初始化和扩容操作，不同值的代表状态如下：

• -1：table[i]正在初始化
• -N：表示有N-1个线程正在进行扩容操作
• 非负数情况：（1）如果table[i]未初始化，则表示table需要初始化的大小（2）如果初始化完成，则表示table[i]扩容的阀值，默认是table[]容量的0.75倍

tabAt()/casTabAt()/setTabAt()

(long)i << ASHIFT) + ABASE得到table[i]的内存偏移地址

static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
    return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}

static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
                                    Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
    return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}

static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v) {
    U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}

这三个方法都是有原子意义的读、写操作

而casTabAt()与setTabAt()方法的区别

所以真正要进行有原子语义的写操作需要使用casTabAt()方法，setTabAt()是在锁定桶的状态下需要使用的方法，如此方法实现只是带保守性的一种写法而已。

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();
    int hash = spread(key.hashCode());   //@1
    int binCount = 0;  //i处结点标志，0: 未加入新结点, 2: TreeBin或链表结点数, 其它：链表结点数。主要用于每次加入结点后查看是否要由链表转为红黑树
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {   //CAS经典写法，不成功无限重试
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0) // 若table[]未创建，则初始化
            //除非构造时指定初始化集合，否则默认构造不初始化table，真正添加时元素检查是否需要初始化。
            tab = initTable();  //@2
        //CAS操作得到对应table中元素
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { //table[i]后面无节点时，直接创建Node（无锁操作）
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   //null创建Node对象做为链表首结点
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)  //如果当前正在扩容，则帮助扩容并返回最新table[]
            tab = helpTransfer(tab, f); //扩容完毕再在新table中放入键值对，扩容节细讲
        else {  //在链表或者红黑树中追加节点
            V oldVal = null;
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {  //双重检查i处结点未变化
                    if (fh >= 0) { //如果为链表结构 //表明是链表结点类型，hash值是大于0的，即spread()方法计算而来
                        binCount = 1;
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) { //找到key，替换value
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)  //是新元素才加入标志位，一般使用不会用到
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                             //jdk1.8版本是把新结点加入链表尾部，next由volatile修饰
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {  //红黑树结点类型
                        Node<K,V> p;
                        binCount = 2;
                        if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {   //@4
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
            if (binCount != 0) {
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)  //默认桶中结点数超过8个数据结构会转为红黑树
                    treeifyBin(tab, i);   //@5
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);  //更新size，检测扩容
    return null;
}

从上面代码可以看出，put的步骤大致如下：

1、参数校验。

2、若table[]未创建，则初始化。

3、当table[i]后面无节点时，直接创建Node（无锁操作）。

4、如果当前正在扩容，则帮助扩容并返回最新table[]。

5、然后在链表或者红黑树中追加节点。

6、最后还回去判断是否到达阀值，如到达变为红黑树结构。

get()方法

public V get(Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
    int h = spread(key.hashCode());// 定位到table[]中的i
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {// 若table[i]存在
        if ((eh = e.hash) == h) {// 比较链表头部
            if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                return e.val;
        }
        else if (eh < 0)// 若为红黑树，查找树
            return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
        while ((e = e.next) != null) {// 循环链表查找
            if (e.hash == h &&
                ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                return e.val;
        }
    }
    return null;// 未找到
}

get()方法的流程相对简单一点，从上面代码可以看出以下步骤：

1、首先定位到table[]中的i。

2、若table[i]存在，则继续查找。

3、首先比较链表头部，如果是则返回。

4、然后如果为红黑树，查找树。

5、最后再循环链表查找

从上面步骤可以看出，ConcurrentHashMap的get操作上面并没有加锁。所以在多线程操作的过程中，并不能完全的保证一致性。

table扩容机制

触发扩容的时机

• 新增节点后，addcount统计tab中的节点个数大于阙值（sizeCtl），会触发tranfer，重新调整节点位置
• 链表转化红黑树（put()时检查调用treeifyBin(tab, i)）时如果table容量小于64，则会触发扩容，调用tryPresize(n << 1)进行扩容;
• 调用putAll()一次性加入大量元素，调用tryPresize(m.size())进行扩容;

addCount()方法

private final void addCount(long x, int check) {
    ...
    //check就是binCount，有新元素加入成功才检查是否要扩容。
    if (check >= 0) {
        Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
        //大于当前扩容阈值并且小于最大扩容值才扩容，如果table还未初始化则等待初始化完成。
        while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
               (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
            int rs = resizeStamp(n);  //@1
            if (sc < 0) {  //已经有线程在进行扩容工作
                //检查是原容量为n的情况下进行扩容，保证sizeCtl与n是一块修改好的，条件2与条件3在当前RESIZE_STAMP_BITS情况下应该不会成功，欢迎指正。条件4与条件5确保tranfer()中的nextTable相关初始化逻辑已走完。
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))  //有新线程参与扩容则sizeCtl统计加1
                    transfer(tab, nt);
            }
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                         (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))  //有线程检测到需要扩容时走这里，初始值为(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))，+2没什么特别，只是为符合-（1+扩容线程数）的定义。
                transfer(tab, null);
            s = sumCount();
        }
    }
}

treeifyBin()方法

private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {  
    Node<K,V> b; int n, sc;  
    if (tab != null) {  
        if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)//如果table.length<64 就扩大一倍 返回  
            tryPresize(n << 1);  
        else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {  
            synchronized (b) {  
                if (tabAt(tab, index) == b) {  
                    TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;  
                    //构造了一个TreeBin对象 把所有Node节点包装成TreeNode放进去  
                    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);//这里只是利用了TreeNode封装 而没有利用TreeNode的next域和parent域  
                        if ((p.prev = tl) == null)  
                            hd = p;  
                        else  
                            tl.next = p;  
                        tl = p;  
                    }  
                    //在原来index的位置 用TreeBin替换掉原来的Node对象  
                    setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));  
                }  
            }  
        }  
    }  
} 

tryPresize()方法

    private final void tryPresize(int size) {
    int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
        tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);
    int sc;
    while ((sc = sizeCtl) >= 0) {
        Node<K,V>[] tab = table; int n;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
            n = (sc > c) ? sc : c;
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if (table == tab) {
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                        table = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
            }
        }
        else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
            break;
        else if (tab == table) {
            int rs = resizeStamp(n);
            if (sc < 0) {
                Node<K,V>[] nt;
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                         (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                transfer(tab, null);
        }
    }
}

从上面的分析中我们可以看，addCount()是扩容是老老实实按容量x2来扩容的，而tryPresize()会传入一个size参数，可能一次性扩容很多倍。后面采用一样的方式调用transfer()来进行真正的扩容处理。

transfer()（扩容的核心方法）

当table的元素数量达到容量阈值sizeCtl，需要对table进行扩容：

• 构建一个nextTable，大小为table两倍
• 把table的数据复制到nextTable中。

在扩容过程中，依然支持并发更新操作；也支持并发插入。

关于扩容机制，推荐大家看
https://blog.csdn.net/elricboa/article/details/70199409

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
    if (nextTab == null) {            // initiating
        try {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];  // 构建一个nextTable，大小为table两倍
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        nextTable = nextTab;
        transferIndex = n;
    }
    int nextn = nextTab.length;
    ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
    boolean advance = true;
    boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    //通过for自循环处理每个槽位中的链表元素，默认advace为真，通过CAS设置transferIndex属性值，并初始化i和bound值，i指当前处理的槽位序号，bound指需要处理的槽位边界，先处理槽位15的节点；
    for (int i = 0, bound = 0;;) {
        Node<K,V> f; int fh;
        while (advance) { // 遍历table中的每一个节点 
            int nextIndex, nextBound;
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            }
            else if (U.compareAndSwapInt
                     (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                      nextBound = (nextIndex > stride ?
                                   nextIndex - stride : 0))) {
                bound = nextBound;
                i = nextIndex - 1;
                advance = false;
            }
        }
        if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
            int sc;
            if (finishing) {  // //如果所有的节点都已经完成复制工作  就把nextTable赋值给table 清空临时对象nextTable  
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);  //扩容阈值设置为原来容量的1.5倍  依然相当于现在容量的0.75倍
                return;
            }
            // 利用CAS方法更新这个扩容阈值，在这里面sizectl值减一，说明新加入一个线程参与到扩容操作
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                finishing = advance = true;
                i = n; // recheck before commit
            }
        }
        //如果遍历到的节点为空 则放入ForwardingNode指针 
        else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        //如果遍历到ForwardingNode节点  说明这个点已经被处理过了 直接跳过  这里是控制并发扩容的核心  
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            advance = true; // already processed
        else {
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {  
                    Node<K,V> ln, hn;
                    if (fh >= 0) {  // 链表节点
                        int runBit = fh & n;  // resize后的元素要么在原地，要么移动n位（n为原capacity），详解见：https://huanglei.rocks/coding/194.html#4%20resize()%E7%9A%84%E5%AE%9E%E7%8E%B0
                        Node<K,V> lastRun = f;
                        //以下的部分在完成的工作是构造两个链表  一个是原链表  另一个是原链表的反序排列
                        for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            int b = p.hash & n;
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b;
                                lastRun = p;
                            }
                        }
                        if (runBit == 0) {
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        }
                        else {
                            hn = lastRun;
                            ln = null;
                        }
                        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);
                            else
                                hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        //在nextTable的i位置上插入一个链表 
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        //在nextTable的i+n的位置上插入另一个链表
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);
                        //设置advance为true 返回到上面的while循环中 就可以执行i--操作

                        advance = true;
                    }
                    //对TreeBin对象进行处理  与上面的过程类似 
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                        TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        //构造正序和反序两个链表 
                        for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            }
                            else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }
                        // （1）如果lo链表的元素个数小于等于UNTREEIFY_THRESHOLD，默认为6，则通过untreeify方法把树节点链表转化成普通节点链表；（2）否则判断hi链表中的元素个数是否等于0：如果等于0，表示lo链表中包含了所有原始节点，则设置原始红黑树给ln，否则根据lo链表重新构造红黑树。
                        ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd); // tab[i]已经处理完了
                        advance = true;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

二、ConcurrentHashMap在1.7与1.8的不同

区别	JDK1.7	JDK1.8
同步机制	分段锁，每个segment继承ReentrantLock	CAS+synchronized保证并发更新
存储结构	数组+链表	数组+链表+红黑树
键值对	HashEntry	Node
put操作	多个线程同时竞争获取同一个segment锁，获取成功的线程更新map；失败的线程尝试多次获取锁仍未成功，则挂起线程，等待释放锁	访问相应的bucket时，使用sychronizeded关键字，防止多个线程同时操作同一个bucket，如果该节点的hash不小于0，则遍历链表更新节点或插入新节点；如果该节点是TreeBin类型的节点，说明是红黑树结构，则通过putTreeVal方法往红黑树中插入节点；更新了节点数量，还要考虑扩容和链表转红黑树
size实现	统计每个Segment对象中的元素个数，然后进行累加，但是这种方式计算出来的结果并不一样的准确的。先采用不加锁的方式，连续计算元素的个数，最多计算3次：如果前后两次计算结果相同，则说明计算出来的元素个数是准确的；如果前后两次计算结果都不同，则给每个Segment进行加锁，再计算一次元素的个数；	通过累加baseCount和CounterCell数组中的数量，即可得到元素的总个数；

三、ConcurrentHashMap与HashTable的区别

hash table虽然性能上不如ConcurrentHashMap，但并不能完全被取代，两者的迭代器的一致性不同的，hash table的迭代器是强一致性的，而concurrenthashmap是弱一致的。 ConcurrentHashMap的get，clear，iterator 都是弱一致性的。
下面是大白话的解释：

• Hashtable的任何操作都会把整个表锁住，是阻塞的。好处是总能获取最实时的更新，比如说线程A调用putAll写入大量数据，期间线程B调用get，线程B就会被阻塞，直到线程A完成putAll，因此线程B肯定能获取到线程A写入的完整数据。坏处是所有调用都要排队，效率较低。
• ConcurrentHashMap 是设计为非阻塞的。在更新时会局部锁住某部分数据，但不会把整个表都锁住。同步读取操作则是完全非阻塞的。好处是在保证合理的同步前提下，效率很高。坏处 是严格来说读取操作不能保证反映最近的更新。例如线程A调用putAll写入大量数据，期间线程B调用get，则只能get到目前为止已经顺利插入的部分 数据。

选择哪一个，是在性能与数据一致性之间权衡。ConcurrentHashMap适用于追求性能的场景，大多数线程都只做insert/delete操作，对读取数据的一致性要求较低。