面试之ConcurrentHashMap

阳光穿透心脏的1/2处 2021-11-10 21:16 323阅读 0赞

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一、变量

//map
    transient volatile Node<K,V>[] table;
    
    //扩容时的临时map，正常情况下null
    private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
    
    //基础计数，如果有多线程并发，则需要加上counterCells中的计数
    private transient volatile long baseCount;
    
    // -1 : 正在进行初始化
    // <-1:  -(1 + 正扩容的线程数)
    // 0: 默认值.
    // > 0: 扩容阈值
    //为什么不单独设置其他的控制变量？
    private transient volatile int sizeCtl;
    
    //下一个扩容任务的桶index，从table的尾部开始向前
    private transient volatile int transferIndex;
    
    //更新计数器时使用，轻量锁
    private transient volatile int cellsBusy;
    
    //并发计数器
    private transient volatile CounterCell[] counterCells;

一、初始化

采用的是懒加载的方式，也就是只有在第一次put时才会执行init

private final Node<K,V>[] initTable() {
            Node<K,V>[] tab; int sc;
            while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                //正在被其他线程初始化
                if ((sc = sizeCtl) < 0)
                    Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
                else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                    //竞争设置sizeCtl为-1
                    try {
                        //假设线程A，执行到2214行，而线程B执行到break，
                        // 则这个判断可以避免其他线程继续初始化
                        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;
                            sc = n - (n >>> 2);
                        }
                    } finally {
                        sizeCtl = sc;
                    }
                    break;
                }
            }
            return tab;
        }

二、put操作

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hhdmVkcmVhbV9vbmU_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

1. 如果tab空，则在initTable中，进行单线程的初始化tab，初始化成功后，sc为下次扩容的阈值

2. 如果tab不空，则判断该hash位置是否为空，空则使用cas在该位置设置新节点

3. 如果节点类型是forwardNode，说明该hash位置进行了扩容，则会前去帮助其进行扩容

4. 利用synchronized进行添加节点

5. 添加完节点，进行元素个数+1 & 扩容

6. 正在扩容时，老的hash表所有节点状态都会逐渐变成moved，这样，如果有新的put，则如果是moved状态，其会在moved结束之后，重新加入hash，如果不是moved，则会加入老的hash表，同时加入的时候，会加锁，这样避免了多线程下的数据丢失

> 节点的hash值范围：
> 
> \-1： 表示该位置扩容完成
> 
> \-2： 树节点
> 
> 其他： 正常的节点

三、在前一段中，我们知道，如果一个线程发现添加的位置发生了扩容，则会加入扩容的线程集合中

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hhdmVkcmVhbV9vbmU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

如果，不需要协助扩容，则会一直在这里傻傻等待扩容完成，才会返回重新添加新节点

四、扩容

1. 新表的初始化，一定会只有一个线程初始化,(只有收个扩容线程才会transfer(tab, null)， 其他调用之前都有加空判断)

2. 每个线程最少分配16个桶，可以由多个线程操作，但是每个桶只分配给一个线程处理，所以整个操作期间，会更简单

3. 在重新hash时，会使用synchronized关键实现线程安全，当hash到新的位置之后，老的hash表会设置老节点为forwardnode，告诉其他冲突线程，正在rehash，但是不影响hash位置不一致的线程，实现了并发尽可能的大

private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
            int n = tab.length, stride;
            if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
                //一个线程最少负责16个桶的rehash
                stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range
            //新表的初始化，只有一个线程进行初始化
            if (nextTab == null) {            // initiating
                try {
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
                    nextTab = nt;
                } catch (Throwable ex) {      // try to cope with OOME
                    sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
                    return;
                }
                //这个表示新的nextTable
                nextTable = nextTab;
                //从N开始分配桶，所谓的桶，就是tab的一个元素，每次递减stride
                transferIndex = n;
            }
            int nextn = nextTab.length;
            ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
            //true：重新rehash下一个桶
            boolean advance = true;
            boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
            for (int i = 0, bound = 0;;) {
                Node<K,V> f; int fh;
                //初始化线程领取负责rehash的桶，负责的桶的范围bound...i
                while (advance) {
                    int nextIndex, nextBound;
                    //完成该任务分配的扩容桶
                    if (--i >= bound || finishing)
                        advance = false;
                    //没有新的扩容桶
                    else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                        i = -1;
                        advance = false;
                    }
                    //初始化该任务分配的扩容桶的上下界
                    else if (U.compareAndSwapInt
                             (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                              nextBound = (nextIndex > stride ?
                                           nextIndex - stride : 0))) {
                        bound = nextBound;
                        i = nextIndex - 1;
                        advance = false;
                    }
                }
    
                if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
                    int sc;
                    if (finishing) {
                        nextTable = null;
                        table = nextTab;
                        sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                        return;
                    }
                    //该线程rehash完自己负责的桶，则退出，此时扩容线程数减-1
                    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                        //是否最后一个扩容线程
                        if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                            return;
                        finishing = advance = true;
                        i = n; // recheck before commit
                    }
                }
                else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
                    advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
                else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                    advance = true; // already processed
                else {
                    synchronized (f) {
                        if (tabAt(tab, i) == f) {
                            Node<K,V> ln, hn;
                            if (fh >= 0) {
                                // 0 或 1， 表示新的hash位置在原位置还是新的i+n的位置
                                int runBit = fh & n;
                                Node<K,V> lastRun = f;
                                //寻找到最后一个节点
                                for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                                    int b = p.hash & n;
                                    if (b != runBit) {
                                        runBit = b;
                                        lastRun = p;
                                    }
                                }
                                if (runBit == 0) {
                                    ln = lastRun;
                                    hn = null;
                                }
                                else {
                                    hn = lastRun;
                                    ln = null;
                                }
                                for (Node<K,V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                                    int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
                                    if ((ph & n) == 0)
                                        ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                                    else
                                        hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                                }
                                setTabAt(nextTab, i, ln);
                                setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                                setTabAt(tab, i, fwd);
                                advance = true;
                            }
                            else if (f instanceof TreeBin) {
                                TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
                                TreeNode<K,V> lo = null, loTail = null;
                                TreeNode<K,V> hi = null, hiTail = null;
                                int lc = 0, hc = 0;
                                for (Node<K,V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                                    int h = e.hash;
                                    TreeNode<K,V> p = new TreeNode<K,V>
                                        (h, e.key, e.val, null, null);
                                    if ((h & n) == 0) {
                                        if ((p.prev = loTail) == null)
                                            lo = p;
                                        else
                                            loTail.next = p;
                                        loTail = p;
                                        ++lc;
                                    }
                                    else {
                                        if ((p.prev = hiTail) == null)
                                            hi = p;
                                        else
                                            hiTail.next = p;
                                        hiTail = p;
                                        ++hc;
                                    }
                                }
                                ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                                    (hc != 0) ? new TreeBin<K,V>(lo) : t;
                                hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                                    (lc != 0) ? new TreeBin<K,V>(hi) : t;
                                setTabAt(nextTab, i, ln);
                                setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                                setTabAt(tab, i, fwd);
                                advance = true;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }

[https_www.cnblogs.com_yangming1996_p_8031199.html]: https://www.cnblogs.com/yangming1996/p/8031199.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hhdmVkcmVhbV9vbmU_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211109/c538821c79a24308aebcb3c233d86622.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hhdmVkcmVhbV9vbmU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20211109/79542cdffe6c44229cef5f85dc635e66.png