JDK1.7 ConcurrentHashMap 源码浅析

概述

ConcurrentHashMap是HashMap的线程安全版本，使用了分段加锁的方案，在高并发时有比较好的性能。

本文分析JDK1.7中ConcurrentHashMap的实现。

正文

ConcurrentHashMap概述

HashMap不是线程安全的，要实现线程安全除非加锁，但这样性能很低。ConcurrentHashMap把整个HashMap数组分成了若干个Segment，每个Segment里有一个数组。添加一个Key时，需要先根据hash值计算出其所在Segment，然后再根据hash值计算出在该Segment中的位置。Segment继承自ReentrantLock，每个Segment就是一个锁。在多线程的情况下，就减少了锁竞争，提升了性能。

ConcurrentHashMap存储结构如下图所示：

下面我们来分析源码，看数据是怎么存储的。

构造函数

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;
    //concurrencyLevel为并发级别，这一步就是计算出大于concurrencyLevel的最小的2的N次方
    //为什么不用HashMap中的Integer.highestOneBit((number - 1) << 1)来计算这个值
    //我的理解是concurrencyLevel一般都比较小（默认为16），采用这种计算方法效率更高。
    while (ssize < concurrencyLevel) {
        ++sshift;
        ssize <<= 1;
    }
    //后面根据hash计算segment位置时需要用到
    this.segmentShift = 32 - sshift;
    this.segmentMask = ssize - 1;
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    //计算每一个segment中table的length
    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;
}

和HashMap最大的不同就是多了Segment的初始化。

Segment的Size也初始化为2的N次方，这为后面的Map整体resize以及确定一个hash值所在Segment都提供简便方法。

每个Segment中的table同HashMap中table一样，接着来看PUT时怎么计算Segment的位置。

PUT

public V put(K key, V value) {
    Segment<K,V> s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    //取得Key的Segment位置
    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);
}

segmentShift：在构造函数中计算出来的，假设concurrencyLevel为16，segmentShift=28(32-4)

segmentMask：15(16-1)

可见求Key所在Segment的算法和HashMap中求Key所在table中的位置一样，都是 hash & (length-1)。

所以这里Segment的length也必须是2的N次方。

hash >>> segmentShift是为了使用hash的高位进行与运算。

s.put方法，就是把Key放到Segment中table的响应位置，它的算法和HashMap中类似，只是加入了锁。

线程安全

HashMap - 非线程安全

Put一个Key时有下面这段代码：

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    //1.取得链表
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    //2.将新Key设置为链表的第一个
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

假设有两个线程A、B，同时进行第1步，它们获取到的e是同一个，如：x,y,z

然后线程A运行到第2步，为e添加了一个新元素a，并赋值给table[bucketIndex]，此时table[bucketIndex]为：a,x,y,z

而后线程B运行到第2步，为e添加了一个新元素b，并赋值给table[bucketIndex]，此时table[bucketIndex]为：b,x,y,z

所以这种情况下就会有问题，这只是其中的一个例子，所以HashMap是非线程安全的。

ConcurrentHashMap - 线程安全

Put一个Key到Table时，使用如下代码：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
                scanAndLockForPut(key, hash, value);
            V oldValue;
            try {
                ......
            } finally {
                unlock();
            }
            return oldValue;
}

可以看到put时，加入了Lock，这就保证了线程的安全性。

查看ConcurrentHashMap源代码可以发现，ConcurrentHashMap的remove、replace等有可能引起线程安全问题的地方都加了Lock。

ConcurrentHashMap的Get方法并不是完全线程安全，因为Get时没有加锁，但JDK用了很多volatile类型变量来保证在大多数情况下的线程安全。

总结：

ConcurrentHashMap在绝大多数情况下是线程安全的，在多线程情况下请使用ConcurrentHashMap。