Java ConcurrentHashMap 高并发安全实现原理解析

if (tabAt(tab, i) == f) {

…各种写操作

}

}

}

1、当前槽位如果头节点为null时，直接CAS写入

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有人也许会质疑，如果写入时resize操作已完成，发生了table向nextTable的转变，是否会存在写入的是旧表的bin导致数据丢失的可能 ?

这种可能性是不存在的，因为一个table在resize完成后所有的BIN都会被打上ForwardingNode的标记，可以形象的理解为所有槽位上都插满了红旗，而此处在CAS时的compare的变量null，能够保证至少在CAS原子操作发生的时间点table并未发生变更。

2、当前槽位如果头节点不为null

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这里采用了一个小技巧：先锁住I槽位上的头节点，进入同步代码块后，再doubleCheck看此槽位上的头节点是否有变化。

进入同步块后还需要doubleCheck的原因：虽然一开始获取到的头节点f并非ForwardingNode，但在获取到f的同步锁之前，可能有其它线程提前获取了f的同步锁并完成了transfer工作，并将I槽位上的头节点标记为ForwardingNode，此时的f就成了一个过时的bin的头节点。

然而因为标记操作与transfer作为一个整体在同步的代码块中执行，如果doubleCheck的结果是此槽位上的头节点还是f，则表明至少在当前时间点该槽位还没有被transfer到新表(假如当前有transfer in progress的话)，可以放心的对该bin进行put/remove/replace等写操作。

只要未发生transfer或者treeify操作，链表的新增操作都是采取后入式，头节点一旦确定不会轻易改变，这种后入式的更新方式保证了锁定头节点就等于锁住了整个bin。

如果不作doubleCheck判断，则有可能当前槽位已被transfer，写入的还是旧表的BIN，从而导致写入数据的丢失；也有可能在获取到f的同步锁之前，其它线程对该BIN做了treeify操作，并将头节点替换成了TreeBin, 导致写入的是旧的链表，而非新的红黑树；

3、doubleCheck是否有ABA问题

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也许有人会质疑，如果有其它线程提前对当前bin进行了的remove/put的操作，引入了新的头节点，并且恰好发生了JVM的内存释放和重新分配，导致新的Node的引用地址恰好跟旧的相同，也就是存在所谓的ABA问题。

这个可以通过反证法来推翻，在带有GC机制的语言环境下通常不会发生ABA问题，因为当前线程包含了对头节点f的引用，当前线程并未消亡，不可能存在f节点的内存被GC回收的可能性。

还有人会质疑，如果在写入过程中主哈希表发生了变化，是否可能写入的是旧表的bin导致数据丢失，这个也可以通过反证法来推翻，因为table向nextTable的转化(也就是将resize后的新哈希表正式commit)只有在所有的槽位都已经transfer成功后才会进行，只要有一个bin未transfer成功，则说明当前的table未发生变化，在当前的时间点可以放心的向table的bin内写入数据。

4、如何操作才安全

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可以总结出规律，在对table的槽位成功进行了CAS操作且compare值为null，或者对槽位的非forwardingNode的头节点加锁后，doubleCheck头节点未发生变化，对bin的写操作都是安全的。

七、原子计算相关方法

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原子计算主要包括：computeIfAbsent、computeIfPresent、compute、merge四个方法。

1、几个方法的比较

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主要区别如下：

（1）computeIfAbsent只会在判断到key不存在时才会插入，判空与插入是一个原子操作，提供的FunctionalInterface是一个二元的Function, 接受key参数，返回value结果；如果计算结果为null则不做插入。

（2）computeIfPresent只会在判读单到Key非空时才会做更新，判断非空与插入是一个原子操作，提供的FunctionalInterface是一个三元的BiFunction,接受key,value两个参数，返回新的value结果；如果新的value为null则删除key对应节点。

（3）compute则不加key是否存在的限制，提供的FunctionalInterface是一个三元的BiFunction,接受key,value两个参数，返回新的value结果；如果旧的value不存在则以null替代进行计算；如果新的value为null则保证key对应节点不会存在。

（4）merge不加key是否存在的限制，提供的FunctionalInterface是一个三元的BiFunction,接受oldValue, newVALUE两个参数，返回merge后的value；如果旧的value不存在，直接以newVALUE作为最终结果，存在则返回merge后的结果；如果最终结果为null，则保证key对应节点不会存在。

2、何时会使用ReserveNode占位

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如果目标bin的头节点为null，需要写入的话有两种手段：一种是生成好新的节点r后使用casTabAt(tab, i, null, r)原子操作，因为compare的值为null可以保证并发的安全；

另外一种方式是创建一个占位的ReserveNode，锁住该节点并将其CAS设置到bin的头节点，再进行进一步的原子计算操作；这两种办法都有可能在CAS的时候失败，需要自己反复尝试。

（1）为什么只有computeIfAbsent/compute方法使用占位符的方式

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computeIfPresent只有在BIN结构非空的情况下才会展开原子计算，自然不存在需要ReserveNode占位的情况；锁住已有的头节点即可。

computeIfAbsent/compute方法在BIN结构为空时，需要展开Function或者BiFunction的运算，这个操作是外部引入的需要耗时多久无法准确评估；这种情况下如果采用先计算，再casTabAt(tab, i, null, r)的方式，如果有其它线程提前更新了这个BIN，那么就需要重新锁定新加入的头节点，并重复一次原子计算(C13Map无法帮你缓存上次计算的结果，因为计算的入参有可能会变化)，这个开销是比较大的。

而使用ReserveNode占位的方式无需等到原子计算出结果，可以第一时间先抢占BIN的所有权，使其他并发的写线程阻塞。

（2）merge方法为何不需要占位

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原因是如果BIN结构为空时，根据merge的处理策略，老的value为空则直接使用新的value替代，这样就省去了BiFunction中新老value进行merge的计算，这个消耗几乎是没有的；因此可以使用casTabAt(tab, i, null, r)的方式直接修改，避免了使用ReserveNode占位，锁定该占位ReserveNode后再进行CAS修改的两次CAS无谓的开销。

C13Map的compute方法

public V compute(K key,

BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {

if (key == null || remappingFunction == null)

throw new nullPointerException();

int h = spread(key.hashCode());

V val = null;

int delta = 0;

int binCount = 0;

for (Node<K, V>[] tab = table; ; ) {

Node<K, V> f;

int n, i, fh;

if (tab == null || (n = tab.length) == 0)

tab = initTable();

else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & h)) == null) {

//创建占位Node

Node<K, V> r = new ReservationNode<K, V>();

//先锁定该占位Node

synchronized ® {

//将其设置到BIN的头节点

if (casTabAt(tab, i, null, r)) {

binCount = 1;

Node<K, V> node = null;

try {

//开始原子计算

if ((val = remappingFunction.apply(key, null)) != null) {

delta = 1;

node = new Node<K, V>(h, key, val, null);

}

} finally {

//设置计算后的最终节点

setTabAt(tab, i, node);

}

}

}

if (binCount != 0)

break;

} else if ((fh = f.hash) == MOVED)

tab = helpTransfer(tab, f);

else {

synchronized (f) {

if (tabAt(tab, i) == f) {

if (fh >= 0) {

//此处省略对普通链表的变更操作

} else if (f instanceof TreeBin) {

//此处省略对红黑树的变更操作

}

}

}

}

}

if (delta != 0)

addCount((long) delta, binCount);

return val;

}

3、如何保证原子性

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computeIfAbsent/computeIfPresent中判空与计算是原子操作，根据上述分析主要是通过casTabA