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前言

Map 这样的 Key Value 在软件开发中是非常经典的结构,常用于在内存中存放数据。
本篇主要想讨论 ConcurrentHashMap 这样一个并发容器,在正式开始之前我觉得有必要谈谈 HashMap,没有它就不会有后面的 ConcurrentHashMap。
HashMap

众所周知 HashMap 底层是基于 数组 + 链表 组成的,不过在 jdk1.7 和 1.8 中具体实现稍有不同。
Base 1.7

1.7 中的数据结构图:
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-1.jpg
先来看看 1.7 中的实现。
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-2.jpg
这是 HashMap 中比较核心的几个成员变量;看看分别是什么意思?
    初始化桶大小,因为底层是数组,所以这是数组默认的大小。桶最大值。默认的负载因子(0.75)table 真正存放数据的数组。Map 存放数量的大小。桶大小,可在初始化时显式指定。负载因子,可在初始化时显式指定。
重点解释下负载因子:
由于给定的 HashMap 的容量大小是固定的,比如默认初始化:
  1. [/code]给定的默认容量为 16,负载因子为 0.75。Map 在使用过程中不断的往里面存放数据,当数量达到了 16 * 0.75 = 12 就需要将当前 16 的容量进行扩容,而扩容这个过程涉及到 rehash、复制数据等操作,所以非常消耗性能。
  2. 因此通常建议能提前预估 HashMap 的大小最好,尽量的减少扩容带来的性能损耗。
  3. 根据代码可以看到其实真正存放数据的是
  4. transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;
  5. 这个数组,那么它又是如何定义的呢?
  6. HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-3.jpg
  7. Entry 是 HashMap 中的一个内部类,从他的成员变量很容易看出:
  8. [list]key 就是写入时的键。value 自然就是值。开始的时候就提到 HashMap 是由数组和链表组成,所以这个 next 就是用于实现链表结构。hash 存放的是当前 key 的 hashcode。
  9. [/list]知晓了基本结构,那来看看其中重要的写入、获取函数:
  10. [size=5][b]put 方法[/b][/size]
  11. [code]
复制代码
    判断当前数组是否需要初始化。如果 key 为空,则 put 一个空值进去。根据 key 计算出 hashcode。根据计算出的 hashcode 定位出所在桶。如果桶是一个链表则需要遍历判断里面的 hashcode、key 是否和传入 key 相等,如果相等则进行覆盖,并返回原来的值。如果桶是空的,说明当前位置没有数据存入;新增一个 Entry 对象写入当前位置。
  1. [/code]当调用 addEntry 写入 Entry 时需要判断是否需要扩容。
  2. 如果需要就进行两倍扩充,并将当前的 key 重新 hash 并定位。
  3. 而在 createEntry 中会将当前位置的桶传入到新建的桶中,如果当前桶有值就会在位置形成链表。
  4. [size=5][b]get 方法[/b][/size]
  5. 再来看看 get 函数:
  6. [code]
复制代码
    首先也是根据 key 计算出 hashcode,然后定位到具体的桶中。判断该位置是否为链表。不是链表就根据 key、key 的 hashcode 是否相等来返回值。为链表则需要遍历直到 key 及 hashcode 相等时候就返回值。啥都没取到就直接返回 null 。
Base 1.8

不知道 1.7 的实现大家看出需要优化的点没有?
其实一个很明显的地方就是:
当 Hash 冲突严重时,在桶上形成的链表会变的越来越长,这样在查询时的效率就会越来越低;时间复杂度为 O(N)。
因此 1.8 中重点优化了这个查询效率。
1.8 HashMap 结构图:
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-4.jpg
先来看看几个核心的成员变量:
  1. [/code]和 1.7 大体上都差不多,还是有几个重要的区别:
  2. [list]TREEIFY_THRESHOLD 用于判断是否需要将链表转换为红黑树的阈值。HashEntry 修改为 Node。
  3. [/list]Node 的核心组成其实也是和 1.7 中的 HashEntry 一样,存放的都是 key value hashcode next 等数据。
  4. 再来看看核心方法。
  5. [size=5][b]put 方法[/b][/size]
  6. HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-5.jpg
  7. 看似要比 1.7 的复杂,我们一步步拆解:
  8. [list=1]判断当前桶是否为空,空的就需要初始化(resize 中会判断是否进行初始化)。根据当前 key 的 hashcode 定位到具体的桶中并判断是否为空,为空表明没有 Hash 冲突就直接在当前位置创建一个新桶即可。如果当前桶有值( Hash 冲突),那么就要比较当前桶中的 key、key 的 hashcode 与写入的 key 是否相等,相等就赋值给 e,在第 8 步的时候会统一进行赋值及返回。如果当前桶为红黑树,那就要按照红黑树的方式写入数据。如果是个链表,就需要将当前的 key、value 封装成一个新节点写入到当前桶的后面(形成链表)。接着判断当前链表的大小是否大于预设的阈值,大于时就要转换为红黑树。如果在遍历过程中找到 key 相同时直接退出遍历。如果 e != null 就相当于存在相同的 key,那就需要将值覆盖。最后判断是否需要进行扩容。
  9. [/list][size=5][b]get 方法[/b][/size]
  10. [code]
复制代码
get 方法看起来就要简单许多了。
    首先将 key hash 之后取得所定位的桶。如果桶为空则直接返回 null 。否则判断桶的第一个位置(有可能是链表、红黑树)的 key 是否为查询的 key,是就直接返回 value。如果第一个不匹配,则判断它的下一个是红黑树还是链表。红黑树就按照树的查找方式返回值。不然就按照链表的方式遍历匹配返回值。
从这两个核心方法(get/put)可以看出 1.8 中对大链表做了优化,修改为红黑树之后查询效率直接提高到了 O(logn)。
但是 HashMap 原有的问题也都存在,比如在并发场景下使用时容易出现死循环。
  1. [/code]但是为什么呢?简单分析下。
  2. 看过上文的还记得在 HashMap 扩容的时候会调用 resize() 方法,就是这里的并发操作容易在一个桶上形成环形链表;这样当获取一个不存在的 key 时,计算出的 index 正好是环形链表的下标就会出现死循环。
  3. 如下图:
  4. HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-6.jpg
  5. [size=5][b]遍历方式[/b][/size]
  6. 还有一个值得注意的是 HashMap 的遍历方式,通常有以下几种:
  7. [code]
复制代码
强烈建议使用第一种 EntrySet 进行遍历。
第一种可以把 key value 同时取出,第二种还得需要通过 key 取一次 value,效率较低。
简单总结下 HashMap:无论是 1.7 还是 1.8 其实都能看出 JDK 没有对它做任何的同步操作,所以并发会出问题,甚至出现死循环导致系统不可用。
因此 JDK 推出了专项专用的 ConcurrentHashMap ,该类位于 java.util.concurrent 包下,专门用于解决并发问题。
坚持看到这里的朋友算是已经把 ConcurrentHashMap 的基础已经打牢了,下面正式开始分析。
ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 同样也分为 1.7 、1.8 版,两者在实现上略有不同。
Base 1.7

先来看看 1.7 的实现,下面是他的结构图:
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-8.jpg
如图所示,是由 Segment 数组、HashEntry 组成,和 HashMap 一样,依旧是数组加链表。
它的核心成员变量:
  1. [/code]Segment 是 ConcurrentHashMap 的一个内部类,主要的组成如下:
  2. [code]
复制代码
看看其中 HashEntry 的组成:
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-9.jpg
和 HashMap 非常类似,唯一的区别就是其中的核心数据如 value ,以及链表都是 volatile 修饰的,保证了获取时的可见性。
原理上来说:ConcurrentHashMap 采用了分段锁技术,其中 Segment 继承于 ReentrantLock。不会像 HashTable 那样不管是 put 还是 get 操作都需要做同步处理,理论上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 数组数量)的线程并发。每当一个线程占用锁访问一个 Segment 时,不会影响到其他的 Segment。
下面也来看看核心的 put get 方法。
put 方法
  1. [/code]首先是通过 key 定位到 Segment,之后在对应的 Segment 中进行具体的 put。
  2. [code]
复制代码
虽然 HashEntry 中的 value 是用 volatile 关键词修饰的,但是并不能保证并发的原子性,所以 put 操作时依旧需要加锁处理。
首先第一步的时候会尝试获取锁,如果获取失败肯定就有其他线程存在竞争,则利用 scanAndLockForPut() 自旋获取锁。
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-10.jpg
    尝试自旋获取锁。如果重试的次数达到了 MAX_SCAN_RETRIES 则改为阻塞锁获取,保证能获取成功。
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-11.jpg
再结合图看看 put 的流程。
    将当前 Segment 中的 table 通过 key 的 hashcode 定位到 HashEntry。遍历该 HashEntry,如果不为空则判断传入的 key 和当前遍历的 key 是否相等,相等则覆盖旧的 value。不为空则需要新建一个 HashEntry 并加入到 Segment 中,同时会先判断是否需要扩容。最后会解除在 1 中所获取当前 Segment 的锁。
get 方法

[code][/code]get 逻辑比较简单:
只需要将 Key 通过 Hash 之后定位到具体的 Segment ,再通过一次 Hash 定位到具体的元素上。
由于 HashEntry 中的 value 属性是用 volatile 关键词修饰的,保证了内存可见性,所以每次获取时都是最新值。
ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的,因为整个过程都不需要加锁
Base 1.8

1.7 已经解决了并发问题,并且能支持 N 个 Segment 这么多次数的并发,但依然存在 HashMap 在 1.7 版本中的问题。
那就是查询遍历链表效率太低。
因此 1.8 做了一些数据结构上的调整。
首先来看下底层的组成结构:
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-12.jpg
看起来是不是和 1.8 HashMap 结构类似?
其中抛弃了原有的 Segment 分段锁,而采用了 CAS + synchronized 来保证并发安全性。
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-13.jpg
也将 1.7 中存放数据的 HashEntry 改为 Node,但作用都是相同的。
其中的 val next 都用了 volatile 修饰,保证了可见性。
put 方法

重点来看看 put 函数:
HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-14.jpg
    根据 key 计算出 hashcode 。判断是否需要进行初始化。f 即为当前 key 定位出的 Node,如果为空表示当前位置可以写入数据,利用 CAS 尝试写入,失败则自旋保证成功。如果当前位置的 hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。如果都不满足,则利用 synchronized 锁写入数据。如果数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树。
get 方法

HashMap、 ConcurrentHashMap 详解-15.jpg
    根据计算出来的 hashcode 寻址,如果就在桶上那么直接返回值。如果是红黑树那就按照树的方式获取值。就不满足那就按照链表的方式遍历获取值。
1.8 在 1.7 的数据结构上做了大的改动,采用红黑树之后可以保证查询效率(O(logn)),甚至取消了 ReentrantLock 改为了 synchronized,这样可以看出在新版的 JDK 中对 synchronized 优化是很到位的。
总结

看完了整个 HashMap 和 ConcurrentHashMap 在 1.7 和 1.8 中不同的实现方式相信大家对他们的理解应该会更加到位。
其实这块也是面试的重点内容,通常的套路是:
    谈谈你理解的 HashMap,讲讲其中的 get put 过程。1.8 做了什么优化?是线程安全的嘛?不安全会导致哪些问题?如何解决?有没有线程安全的并发容器?ConcurrentHashMap 是如何实现的? 1.7、1.8 实现有何不同?为什么这么做?
这一串问题相信大家仔细看完都能怼回面试官。
除了面试会问到之外平时的应用其实也蛮多,像之前谈到的 Guava 中 Cache 的实现就是利用 ConcurrentHashMap 的思想。
同时也能学习 JDK 作者大牛们的优化思路以及并发解决方案。
其实写这篇的前提是源于 GitHub 上的一个 Issues,也希望大家能参与进来,共同维护好这个项目。
号外

最近在总结一些 Java 相关的知识点,感兴趣的朋友可以一起维护。
地址: https://github.com/crossoverJie/Java-Interview
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