JDK 1.7 ConcurrentHashMap 源码解析
2022/6/10 1:22:29
本文主要是介绍JDK 1.7 ConcurrentHashMap 源码解析,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!
作用
HashMap 在多线程环境中,扩容的时候可能会死循环;HashTable 只是简单粗暴的在方法上用 synchronized 进行同步,同一时刻,只会有一个线程获取到锁,其他线程全部阻塞(也有可能自旋),性能堪忧。所以 ConcurrentHashMap 诞生了。
结构
ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成,HashEntry 类似于 HashMap 的内部结构(如果你还不了解 HashMap,建议先看看)。Segment 继承自 ReentrantLock(看这里),那本身也就是锁了。ConcurrentHashMap 结构图如下
我们再看看 HashMap 结构图
我们可以发现 Segment 的 HashEntry 数组类似于 HashMap 的 Entry 数组,这也难怪有人说 ConcurrentHashMap 就是一个个的 HashTable。
初始化
接下来看看 ConcurrentHashMap 的初始化逻辑
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) { if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0) throw new IllegalArgumentException(); if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS; // Find power-of-two sizes best matching arguments int sshift = 0; int ssize = 1; // 找到最小的 2 的 N 次方值作为 segments 数组的长度 while (ssize < concurrencyLevel) { // sshift 等于 ssize 从 1 向左移位的次数 ++sshift; ssize <<= 1; } // 这两个全局变量需要在定位 segment 时的散列算法里使用 this.segmentShift = 32 - sshift; this.segmentMask = ssize - 1; if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; // 根据初始化容量和 segments 数组大小计算 HashEntry 数组大小 int c = initialCapacity / ssize; if (c * ssize < initialCapacity) ++c; // 默认 MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY = 2; int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; while (cap < c) cap <<= 1; // 创建第一个 Segment 和 Segment 数组 Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor), (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]); Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize]; UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0] this.segments = ss; }
初始化的过程做了一下几件事:
- 根据 concurrencyLevel 计算出 segments 数组大小,为大于或等于 concurrencyLevel 最小的 2 的 N 次方
- 根据 ssize 计算出 segmentShift 和 segmentMask,用于定位 segment 使用的散列算法
- 计算出 HashEntry 数组容量大小,默认为 2
- 初始化第一个 Segment 和 Segments 数组
操作
get
get 方法代码如下
/** * key 不能为 null,否则就 NPE * @throws NullPointerException if the specified key is null */ public V get(Object key) { Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead HashEntry<K,V>[] tab; int h = hash(key); // 定位 segment long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE; // 判断 segment 和 segment 的 HashEntry 数组是否已存在 if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null && (tab = s.table) != null) { // 定位到 HashEntry[] 中具体的 HashEntry,循环该位置上的链表 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; // 判断是否找到 if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k))) return e.value; } } return null; }
get 方法查找逻辑如下:
- 根据给定的 key 定位 segment 位置,判断该位置 segment 是否存在以及 segment 的 HashEntry 数组是否存在;
- 定位到 segment 后,再定位 HashEntry[] 中具体的 HashEntry,然后循环该位置上的链表,直到找到指定的 key,然后返回 value;
- 以上都不满足,返回 null。
- 另外,如果 key == null,则抛 NullPointerException
get 方法还是有些需要注意的地方,当定位到 segment 后,从 segments 数组中获取该 segment 的时候用到了 UNSAFE.getObjectVolatile
s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null
顾名思义,getObjectVolatile 方法具有 volatile 的内存语义(可见性)。然后获取 segment 中 HashEntry 数组的时候:(tab = s.table) != null
并没有使用该方法,应该可以猜到,table 被 volatile 修饰了,所以能够保证获取到的是最新的
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
put
put 方法代码如下
/** * key and key 都不能为 null,否则 NPE * @throws NullPointerException if the specified key or value is null */ 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; // 如果定位 segments 数组索引处 segment 还没初始化,则先初始化 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); }
如果指定索引处的 segment 还没初始化,则先调用 ensureSegment() 方法初始化
/** * 创建 Segment */ private Segment<K,V> ensureSegment(int k) { final Segment<K,V>[] ss = this.segments; long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset Segment<K,V> seg; // 判断指定索引处的 segment 是否初始化 if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // 把第一个 segment 当做原型,其它的segment属性都参考这个 Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype int cap = proto.table.length; float lf = proto.loadFactor; int threshold = (int)(cap * lf); HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]; // 再次判断 segment 是否创建 if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab); while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // 通过 CAS 初始化该索引处的 segment if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s)) break; } } } return seg; }
初始化 segments 数组中某一个元素的时候,reeeeeeecheck 了 N 次,最后通过 CAS 初始化。
到这里,定位 segment 的任务完成了,接下来就是真正执行 put 的时候了
return s.put(key, hash, value, false);
可以看到,执行的是定义在 Segment 里的 put 方法,代码如下
/** * put 方法返回的指定 key 对应的旧值(oldValue) */ final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { // 先要获取锁 HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); V oldValue; try { HashEntry<K,V>[] tab = table; int index = (tab.length - 1) & hash; // 定位 HashEntry HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index); for (HashEntry<K,V> e = first;;) { // 定位到的 HashEntry 数组位置上已存在 HashEntry // 则循环链表,检索 key if (e != null) { K k; if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) { oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent) { // 找到匹配的 key,并且 onlyIfAbsent 为 false // 设置找到的 HashEntry value 为新值 e.value = value; // 修改数 + 1 ++modCount; } break; } e = e.next; } // 如果定位到的位置上还没有 HashEntry else { // node != null,说明是之前获取锁失败的并且定位到的索引位还没 HashEntry if (node != null) node.setNext(first); else node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first); int c = count + 1; // 如果 HashEntry 数组元素数量达到阈值,则进行扩容 if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY) rehash(node); else // 否则就直接初始化指定索引处的 HashEntry setEntryAt(tab, index, node); ++modCount; count = c; oldValue = null; break; } } } finally { // 释放锁 unlock(); } return oldValue; }
put 方法的流程逻辑如下:
- 定位 segment,如果没有初始化,则先调用 ensureSegment() 方法进行初始化;
- 获取锁,定位 HashEntry;
- HashEntry 已经初始化,循环链表,检索 key,替换 value,返回旧值;
- HashEntry 还没初始化,则先初始化,如果 HashEntry 数组元素数量达到阈值,则先扩容,新数组大小为之前的 2 倍,并且扩容的时候,将新的 HashEntry 加到新的数组中。
上面第 2 步中,如果线程获取锁失败,将执行 scanAndLockForPut() 方法
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) { // 链表首节点 HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash); HashEntry<K,V> e = first; HashEntry<K,V> node = null; int retries = -1; // negative while locating node // 不停地重试获取锁 while (!tryLock()) { HashEntry<K,V> f; // to recheck first below if (retries < 0) { // 如果首节点为 null,则新建 HashEntry if (e == null) { if (node == null) // speculatively create node node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null); retries = 0; } // 检索 key else if (key.equals(e.key)) retries = 0; else e = e.next; } // 当重试次数达到一定的数量(单 CPU 1 次,其它 64 次) // 调用 lock():再一次获取锁,获取失败则阻塞当前线程 else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) { lock(); break; } // 如果首节点发生改变,重新检索 else if ((retries & 1) == 0 && (f = entryForHash(this, hash)) != first) { e = first = f; // re-traverse if entry changed retries = -1; } } return node; }
也就是说,当线程 put 获取锁失败,则不停地尝试获取锁,直到重试的次数达到上限,如果还没获取到锁,那就被阻塞。
size
ConcurrentHashMap 的分段锁设计能够很好的支持并发操作,如果想要统计元素总数,那肯定就是将每个 Segment 里的元素个数加起来。但有个问题,累加的过程中,已累加的 segment 的元素个数可能已发生了改变,那到最后计算的总数肯定就不准确了。所以得有个参考的东西,来表示 segment 个数有没有发生变化,那就是 modCount 属性了。每次统计完总数,再比较下 modCount 是否发生改变。
size() 方法代码如下
public int size() { // Try a few times to get accurate count. On failure due to // continuous async changes in table, resort to locking. final Segment<K,V>[] segments = this.segments; int size; boolean overflow; // true if size overflows 32 bits long sum; // sum of modCounts long last = 0L; // previous sum int retries = -1; // first iteration isn't retry try { for (;;) { // 重试 3 次后,将每个 segment 加锁 if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) { for (int j = 0; j < segments.length; ++j) ensureSegment(j).lock(); // force creation } sum = 0L; size = 0; overflow = false; for (int j = 0; j < segments.length; ++j) { Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j); if (seg != null) { // 统计 modCount sum += seg.modCount; int c = seg.count; // 累加 count if (c < 0 || (size += c) < 0) overflow = true; } } // 统计期间,modCount 是否发生变化 if (sum == last) break; last = sum; } } finally { // 释放锁 if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) { for (int j = 0; j < segments.length; ++j) segmentAt(segments, j).unlock(); } } return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size; }
size 逻辑如下:
- 采用不加锁的方式统计个数,统计期间,segment 元素个数没有发生变化,则返回统计值,最多重试 3 次。
- 如果 3 次还不能准确统计,则对每个 segment 加锁,再次统计。
总结
ConcurrentHashMap 主要方法基本就分析完了,可以发现,其中 put 和 get 的核心思想适合 HashMap 类似的,所以在看 ConcurrentHashMap 源码之前,建议还是看下 HashMap 代码。ConcurrentHashMap 分段锁是一个很经典的设计,但是 JDK 1.8 中又完全摒弃了这种思想,所以下一篇应该就是 JDK 1.8 源码解析了~
这篇关于JDK 1.7 ConcurrentHashMap 源码解析的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对大家有所帮助,也希望大家多多支持为之网!
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