Java——ConcurrentMap 解读

Java集合框架中的Map类型的数据结构是非线程安全, 在多线程环境中使用时需要手动进行线程同步. 因此在java.util.concurrent包中提供了一个线程安全版本的Map类型数据结构: ConcurrentMap. 本篇文章主要关注ConcurrentMap接口以及它的Hash版本的实现ConcurrentHashMap.

要实现线程安全,就需要加锁, HashTable就是线程安全的, 但是HashTable对整张表加锁的做法非常消耗性能, ConcurrentMap的做法简单来说, 就是把哈希表分成若干段, 对其中某一段操作时, 只锁住这一段, 其他段可以不受影响. 如下图所示:

整个ConcurrentMap由一个segment数组组成(即segments), 数组中每一个segment是一张哈希表, 哈希表中存放的是一张hashentry链表.

本文主要分析以下两个过程:

1.ConcurrentMap的构造方法
2.put(K key, V value)

ConcurrentMap的构造方法

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,                             float loadFactor, int concurrencyLevel);public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor);public ConcurrentHashMap(int initialCapacity);public ConcurrentHashMap();public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m);

这5种构造方法, 最终都会使用第一个构造函数来初始化ConcurrentHashMap.

第一个构造函数的代码:

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;    while (ssize < concurrencyLevel) {        ++sshift;        ssize <<= 1;    }    this.segmentShift = 32 - sshift;    this.segmentMask = ssize - 1;    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;    int c = initialCapacity / ssize;    if (c * ssize < initialCapacity)        ++c;    int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;    while (cap < c)        cap <<= 1;    // create segments and segments[0]    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;}

其中concurrencyLevel是实例化以后就不可改变的, 它决定了segments数组的大小, 同时决定了这个ConcurrentHashMap的并发能力.segmentShift和segmentMask与hash算法相关.loadFactor参数决定了Segment在何时扩容.

ConcurrentHashMap的put方法

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);}

过程如下:
1.通过第一次哈希算法,计算当前key属于哪一个segment;
2.如果映射到的segment为空, 则执行3, 否则执行4;
3.借助UNSAFE类, 使用线程安全的方式, 构建一个新的segment, 并且放入segments中相应的位置;
4.调用segment中的put方法, 将key, value对放入segment中.

从中可以看到, 最终存储key,value对的是segment, 因此只要对需要插入键值对的segment上锁就可以保证线程安全.

segment的put方法

首先看segment的定义, 它是ConcurrentHashMap的内部类, 该类继承了ReentrantLock.

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

查看它的构造方法:

Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {    this.loadFactor = lf;    this.threshold = threshold;    this.table = tab;}

Segment的主要构成是一张哈希表(存储hashentry)和threshold(当哈希表尺寸大于threshold时扩容).

下面是它的put方法:

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;}

put方法的主要流程如下:
1.尝试获取当前segment的锁,若成功则执行3, 若失败则执行2;
2.根据key在hashtable中搜索hashentry, 并且获取锁(此处会进行阻塞操作);
3.根据key在hashtable中搜索hashentry,如果当前位置已经存在值, 则使用链接的方式解决冲突;
4.如果当前尺寸超过了threshold,则执行rehash(将segment中的所有键值对重新hash).

总结

ConcurrentHashMap的实现,主要原理就是使用segments将原本唯一的hashtable分段, 增加并发能力. ConcurrentHashMap中还有比较重要的一点就是使用的两次哈希算法(第一次哈希算法找到segment, 第二次哈希算法找到hashentry), 这两次哈希算法要求能尽量将元素均匀的分布到不同的segment的hashtable中, ConcurrentHashMap使用的是single-word Wang/Jenkins哈希算法的一个变种。