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ConcurrentHashMap詳解

2021-01-31 06:15:53 後端開發

原文鏈接http://zhhll.icu/2020/12/14/java%E5%9F%BA%E7%A1%80/%E9%9B%86%E5%90%88/ConcurrentHashMap%E8%AF%A6%E8%A7%A3/

ConcurrentHashMap詳解

JDK7

Segment

在jdk8之前concurrentHashMap使用該物件進行分段加鎖,降低了鎖的粒度,使得并發效率提高,Segment本身也相當于一個HashMap,Segment包含一個HashEntry陣列,陣列中每個HashEntry既是一個鍵值對,又是一個鏈表的頭結點

get方法

  • 根據key做hash運算,得到hash值
  • 通過hash值,定位到對應的segment物件
  • 再次通過hash值,定位到segment當中陣列的具體位置

put方法

  • 根據key做hash運算,得到hash值
  • 通過hash值,定位到對應的segment物件
  • 獲取可重入鎖
  • 再次通過hash值,定位到segment當中陣列的具體位置
  • 插入或覆寫hashEntry物件
  • 釋放鎖

但是使用這種方式實作需要進行兩次hash操作,第一次hash操作找到對應的segment,第二次hash操作定位到元素所在鏈表的頭部

JDK8

在jdk8的時候參考了HashMap的設計,采用了陣列+鏈表+紅黑樹的方式,內部大量采用CAS操作,舍棄了分段鎖的思想

CAS

CAS是compare and swap的縮寫,即我們所說的比較交換,CAS屬于樂觀鎖,

CAS包含三個運算元,---記憶體中的值(V),預期原值(A),新值(B) 如果記憶體中的值和A的值一樣,就可以將記憶體中的值更新為B,CAS通過無限回圈來獲取資料,一直到V和A一致為止

樂觀鎖

樂觀鎖會很樂觀的認為不會出現并發問題,所以采用無鎖的機制來進行處理,比如通過給記錄加version來獲取資料,性能比悲觀鎖要高

悲觀鎖

悲觀鎖會很悲觀的認為肯定會出現并發問題,所以會將資源鎖住,該資源只能有一個執行緒進行操作,只有前一個獲得鎖的執行緒釋放鎖之后,下一個執行緒才可以訪問

原始碼分析

重要變數
// 表示整個hash表,初始化階段是在第一次插入的時候,容量總是2的次冪
transient volatile Node<K,V>[] table;

// 下一個使用的表 只有在擴容的時候非空,其他情況都是null
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;

/**
 * Base counter value, used mainly when there is no contention,
 * but also as a fallback during table initialization
 * races. Updated via CAS.
 */
private transient volatile long baseCount;


// 用于初始化和擴容控制
// 0:默認值
// -1:正在初始化
// 大于0:為hash表的閾值
// 小于-1:有多個執行緒在進行擴容 該值為 -(1+正在擴容的執行緒數)
private transient volatile int sizeCtl;

/**
 * The next table index (plus one) to split while resizing.
 */
private transient volatile int transferIndex;

/**
 * Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating CounterCells.
 */
private transient volatile int cellsBusy;

/**
 * Table of counter cells. When non-null, size is a power of 2.
 */
private transient volatile CounterCell[] counterCells;

// views
private transient KeySetView<K,V> keySet;
private transient ValuesView<K,V> values;
private transient EntrySetView<K,V> entrySet;
建構式
/**
 * Creates a new, empty map with the default initial table size (16).
 */
public ConcurrentHashMap() {
}

/**
 * Creates a new, empty map with an initial table size
 * accommodating the specified number of elements without the need
 * to dynamically resize.
 *
 * @param initialCapacity The implementation performs internal
 * sizing to accommodate this many elements.
 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity of
 * elements is negative
 */
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
               MAXIMUM_CAPACITY :
               tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
    this.sizeCtl = cap;
}

/**
 * Creates a new map with the same mappings as the given map.
 *
 * @param m the map
 */
public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
    putAll(m);
}

/**
 * Creates a new, empty map with an initial table size based on
 * the given number of elements ({@code initialCapacity}) and
 * initial table density ({@code loadFactor}).
 *
 * @param initialCapacity the initial capacity. The implementation
 * performs internal sizing to accommodate this many elements,
 * given the specified load factor.
 * @param loadFactor the load factor (table density) for
 * establishing the initial table size
 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity of
 * elements is negative or the load factor is nonpositive
 *
 * @since 1.6
 */
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    this(initialCapacity, loadFactor, 1);
}

/**
 * Creates a new, empty map with an initial table size based on
 * the given number of elements ({@code initialCapacity}), table
 * density ({@code loadFactor}), and number of concurrently
 * updating threads ({@code concurrencyLevel}).
 *
 * @param initialCapacity the initial capacity. The implementation
 * performs internal sizing to accommodate this many elements,
 * given the specified load factor.
 * @param loadFactor the load factor (table density) for
 * establishing the initial table size
 * @param concurrencyLevel the estimated number of concurrently
 * updating threads. The implementation may use this value as
 * a sizing hint.
 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is
 * negative or the load factor or concurrencyLevel are
 * nonpositive
 */
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (initialCapacity < concurrencyLevel)   // Use at least as many bins
        initialCapacity = concurrencyLevel;   // as estimated threads
    long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
    int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
        MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
    this.sizeCtl = cap;
}
重要方法
put方法

ConcurrentHashMap是如何保證在插入的時候執行緒安全的呢

public V put(K key, V value) {
    return putVal(key, value, false);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
  	// ConcurrentHashMap不允許key和value為null
    if (key == null || value =https://www.cnblogs.com/life-time/p/= null) throw new NullPointerException();
  	// 計算hash值
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node[] tab = table;;) {
        Node f; int n, i, fh;
      	// tab為null,哈希表還沒有初始化,進行初始化哈希表
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
      	// 該索引位置為null,表示還沒有元素
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
          	// 使用CAS的方式添加節點
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node(hash, key, value, null)))
                break;                   // no lock when adding to empty bin
        }
      	// 節點的hash值為-1,表示該哈希表正在擴容
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        else {
            V oldVal = null;
          	// 對頭節點加鎖
            synchronized (f) {
              	// 再次判斷一下該節點是否為目標索引位置的頭節點,防止期間被修改
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                  	// 表示是普通的鏈表
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        for (Node 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 pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                  	// 紅黑樹 TreeBin的hash值為TREEBIN,是-2
                    else if (f instanceof TreeBin) {
                        Node p;
                        binCount = 2;
                        if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key,
                                                       value)) != null) {
                            oldVal = p.val;
                            if (!onlyIfAbsent)
                                p.val = value;
                        }
                    }
                }
            }
          	// 可以看一下上述的賦值流程
          	// 默認初始值是0
          	// 鏈表時為1 在遍歷時進行累加,直到找到所要添加的位置為止
          	// 紅黑樹時為2
            if (binCount != 0) {
              	// 鏈表的長度是否達到8  達到8轉為紅黑樹
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
              	// oldVal不為null,表示只是對key的值進行的修改,沒有添加元素,直接回傳即可
                if (oldVal != null)
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
  	// 
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

哈希函式根據hashCode計算出哈希值,這里的hash值與HashMap的計算方式稍微有點不同,在低十六位異或高十六位之后還需要與HASH_BITS在進行與運算,HASH_BITS的值是0x7fffffff,轉為二進制是31個1,進行與運算是為了保證得到的hash值為正數,

ConcurrentHashMap中hash值為負數包含有其他含義,-1表示為ForwardingNode節點,-2表示為TreeBin節點

static final int spread(int h) {
  	// (h ^ (h >>> 16)與hashMap相同
  	// HASH_BITS進行與運算
    return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}

初始化hash表的操作

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
  	// hash表為null時才需要進行初始化
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
      	// sizeCtl小于0表示有其他執行緒在進行初始化操作了
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
      	// 將SIZECTL設為-1,表示該執行緒要開始初始化表了
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                  	// n右移兩位  表示1/4n n-1/4n為3/4n  即為n*0.75
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}
private final void addCount(long x, int check) {
    CounterCell[] as; long b, s;
    if ((as = counterCells) != null ||
        !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
        CounterCell a; long v; int m;
        boolean uncontended = true;
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended =
              U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
            fullAddCount(x, uncontended);
            return;
        }
        if (check <= 1)
            return;
        s = sumCount();
    }
    if (check >= 0) {
        Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
        while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
               (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
            int rs = resizeStamp(n);
            if (sc < 0) {
                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);
            s = sumCount();
        }
    }
}

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    理解 函式指標 指向函式的指標。比如: 理解函式指標的偽代碼 void (*p)(int type, char *data); // 定義一個函式指標p void func(int type, char *data); // 宣告一個函式func p = func; // 將指標p指向函式func ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:23:52 more
  • Django筆記二十五之資料庫函式之日期函式

    本文首發于公眾號:Hunter后端 原文鏈接:Django筆記二十五之資料庫函式之日期函式 日期函式主要介紹兩個大類,Extract() 和 Trunc() Extract() 函式作用是提取日期,比如我們可以提取一個日期欄位的年份,月份,日等資料 Trunc() 的作用則是截取,比如 2022-0 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:23:45 more
  • 一天吃透JVM面試八股文

    什么是JVM? JVM,全稱Java Virtual Machine(Java虛擬機),是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實作的。由一套位元組碼指令集、一組暫存器、一個堆疊、一個垃圾回收堆和一個存盤方法域等組成。JVM屏蔽了與作業系統平臺相關的資訊,使得Java程式只需要生成在Java虛擬機 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:23:31 more
  • 使用Java接入小程式訂閱訊息!

    更新完微信服務號的模板訊息之后,我又趕緊把微信小程式的訂閱訊息給實作了!之前我一直以為微信小程式也是要企業才能申請,沒想到小程式個人就能申請。 訊息推送平臺🔥推送下發【郵件】【短信】【微信服務號】【微信小程式】【企業微信】【釘釘】等訊息型別。 https://gitee.com/zhongfuch ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:59 more
  • java -- 緩沖流、轉換流、序列化流

    緩沖流 緩沖流, 也叫高效流, 按照資料型別分類: 位元組緩沖流:BufferedInputStream,BufferedOutputStream 字符緩沖流:BufferedReader,BufferedWriter 緩沖流的基本原理,是在創建流物件時,會創建一個內置的默認大小的緩沖區陣列,通過緩沖 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:49 more
  • Java-SpringBoot-Range請求頭設定實作視頻分段傳輸

    老實說,人太懶了,現在基本都不喜歡寫筆記了,但是網上有關Range請求頭的文章都太水了 下面是抄的一段StackOverflow的代碼...自己大修改過的,寫的注釋挺全的,應該直接看得懂,就不解釋了 寫的不好...只是希望能給視頻網站開發的新手一點點幫助吧. 業務場景:視頻分段傳輸、視頻多段傳輸(理 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:22:42 more
  • Windows 10開發教程_編程入門自學教程_菜鳥教程-免費教程分享

    教程簡介 Windows 10開發入門教程 - 從簡單的步驟了解Windows 10開發,從基本到高級概念,包括簡介,UWP,第一個應用程式,商店,XAML控制元件,資料系結,XAML性能,自適應設計,自適應UI,自適應代碼,檔案管理,SQLite資料庫,應用程式到應用程式通信,應用程式本地化,應用程式 ......

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