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ConcurrentHashMap原理分析

2016年08月10日 Linux 教程 暂无评论 阅读 1,040 次

      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,而现在的解决方案----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。
     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;相对于之前的Hashtable,并发是不可避免的啊!
    public V get(Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
        int h = spread(key.hashCode());
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
            if ((eh = e.hash) == h) {
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                    return e.val;
            }
            else if (eh < 0)
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            while ((e = e.next) != null) {
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }

    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,,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if(!onlyIfAbsent),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。

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(key, value, false);
    }

    /** Implementation for put and putIfAbsent */
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                                K ek;
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                     (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                    oldVal = e.val;
                                    if (!onlyIfAbsent)
                                        e.val = value;
                                    break;
                                }
                                Node<K,V> pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            Node<K,V> p;
                            binCount = 2;
                            if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                           value)) != null) {
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            }
                        }
                    }
                }
                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

    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?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。

    public V remove(Object key) {
        return replaceNode(key, null, null);
    }

    /**
     * Implementation for the four public remove/replace methods:
     * Replaces node value with v, conditional upon match of cv if
     * non-null.  If resulting value is null, delete.
     */
    final V replaceNode(Object key, V value, Object cv) {
        int hash = spread(key.hashCode());
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
                (f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null)
                break;
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                boolean validated = false;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            validated = true;
                            for (Node<K,V> e = f, pred = null;;) {
                                K ek;
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                     (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                    V ev = e.val;
                                    if (cv == null || cv == ev ||
                                        (ev != null && cv.equals(ev))) {
                                        oldVal = ev;
                                        if (value != null)
                                            e.val = value;
                                        else if (pred != null)
                                            pred.next = e.next;
                                        else
                                            setTabAt(tab, i, e.next);
                                    }
                                    break;
                                }
                                pred = e;
                                if ((e = e.next) == null)
                                    break;
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            validated = true;
                            TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                            TreeNode<K,V> r, p;
                            if ((r = t.root) != null &&
                                (p = r.findTreeNode(hash, key, null)) != null) {
                                V pv = p.val;
                                if (cv == null || cv == pv ||
                                    (pv != null && cv.equals(pv))) {
                                    oldVal = pv;
                                    if (value != null)
                                        p.val = value;
                                    else if (t.removeTreeNode(p))
                                        setTabAt(tab, i, untreeify(t.first));
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
                if (validated) {
                    if (oldVal != null) {
                        if (value == null)
                            addCount(-1L, -1);
                        return oldVal;
                    }
                    break;
                }
            }
        }
        return null;
    }
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