1.线程安全集合类概述
线程安全集合类可以分为三大类：
遗留的线程安全集合
- 遗留的线程安全集合如 Hashtable ， Vector
使用 Collections 装饰的线程安全集合
- 使用 Collections 装饰的线程安全集合，如：
- Collections.synchronizedCollection
- Collections.synchronizedList
- Collections.synchronizedMap
- Collections.synchronizedSet
- Collections.synchronizedNavigableMap
- Collections.synchronizedNavigableSet
- Collections.synchronizedSortedMap
- Collections.synchronizedSortedSet
- java.util.concurrent.*
JUC下的安全集合: Blocking、CopyOnWrite、Concurrent
重点介绍 java.util.concurrent.* 下的线程安全集合类，可以发现它们有规律，里面包含三类关键词： Blocking、CopyOnWrite、Concurrent
- Blocking 大部分实现基于锁，并提供用来阻塞的方法
- CopyOnWrite 之类容器修改开销相对较重
- Concurrent 类型的容器
- 内部很多操作使用 cas 优化，一般可以提供较高吞吐量
- 弱一致性
- 遍历时弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历，这时内容是旧的
- 求大小弱一致性，size 操作未必是 100% 准确
- 读取弱一致性
遍历时如果发生了修改，对于非安全容器来讲，使用 fail-fast
机制也就是让遍历立刻失败，抛出ConcurrentModifificationException，不再继续遍历
2. ConcurrentHashMap
1. 练习：单词计数
生成测试数据
static final String ALPHA = "abcedfghijklmnopqrstuvwxyz";
//生成测试数据-使用特定字符串生成列表并进行处理和输出到指定文件
public static void main(String[] args) {
int length = ALPHA.length();
int count = 200;
List<String> list = new ArrayList<>(length * count);
for (int i = 0; i < length; i++) {
char ch = ALPHA.charAt(i);
for (int j = 0; j < count; j++) {
list.add(String.valueOf(ch));
}
}
Collections.shuffle(list);
for (int i = 0; i < 26; i++) {
try (PrintWriter out = new PrintWriter(
new OutputStreamWriter(
new FileOutputStream("tmp/" + (i+1) + ".txt")))) {
String collect = list.subList(i * count, (i + 1) * count).stream()
.collect(Collectors.joining("\n"));
out.print(collect);
} catch (IOException e) {
}
}
}
模版代码，模版代码中封装了多线程读取文件的代码
private static <V> void demo(Supplier<Map<String,V>> supplier,
BiConsumer<Map<String,V>,List<String>> consumer) {
Map<String, V> counterMap = supplier.get();
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
for (int i = 1; i <= 26; i++) {
int idx = i;
Thread thread = new Thread(() -> {
List<String> words = readFromFile(idx);
consumer.accept(counterMap, words);
});
ts.add(thread);
}
ts.forEach(t->t.start());
ts.forEach(t-> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
System.out.println(counterMap);
}
//从文件中读取字符串并存储到列表。
public static List<String> readFromFile(int i) {
ArrayList<String> words = new ArrayList<>();
try (BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(
new FileInputStream("tmp/"+ i +".txt")))) {
while(true) {
String word = in.readLine();
if(word == null) {
break;
}
words.add(word);
}
return words;
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
你要做的是实现两个参数
- 一是提供一个 map 集合，用来存放每个单词的计数结果，key 为单词，value 为计数
- 二是提供一组操作，保证计数的安全性，会传递 map 集合以及 单词 List
正确结果输出应该是每个单词出现 200 次
{a=200, b=200, c=200, d=200, e=200, f=200, g=200, h=200, i=200, j=200, k=200, l=200, m=200, n=200, o=200, p=200, q=200, r=200, s=200, t=200, u=200, v=200, w=200, x=200, y=200, z=200}
实现为：
demo(
// 创建 map 集合
// 创建 ConcurrentHashMap 对不对？
() -> new HashMap<String, Integer>(),
// 进行计数
(map, words) -> {
for (String word : words) {
//这里的getter和setter无法保证原子性
Integer counter = map.get(word);
int newValue = counter == null ? 1 : counter + 1;
map.put(word, newValue);
}
}
);
有没有问题？请改进
参考解答1
demo(
() -> new ConcurrentHashMap<String, LongAdder>(),
(map, words) -> {
for (String word : words) {
// 注意不能使用 putIfAbsent，此方法返回的是上一次的 value，首次调用返回 null
map.computeIfAbsent(word, (key) -> new LongAdder()).increment();
}
}
);
参考解答2
demo(
() -> new ConcurrentHashMap<String, Integer>(),
(map, words) -> {
for (String word : words) {
// 函数式编程，无需原子变量
map.merge(word, 1, Integer::sum);
}
}
);
2. ConcurrentHashMap 原理
1. JDK 7 HashMap 并发死链
测试代码
注意
- 要在 JDK 7 下运行，否则扩容机制和 hash 的计算方法都变了
- 以下测试代码是精心准备的，不要随便改动
public static void main(String[] args) {
// 测试 java 7 中哪些数字的 hash 结果相等
System.out.println("长度为16时，桶下标为1的key");
for (int i = 0; i < 64; i++) {
if (hash(i) % 16 == 1) {
System.out.println(i);
}
}
System.out.println("长度为32时，桶下标为1的key");
for (int i = 0; i < 64; i++) {
if (hash(i) % 32 == 1) {
System.out.println(i);
}
}
// 1, 35, 16, 50 当大小为16时，它们在一个桶内
final HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer, Integer>();
// 放 12 个元素
map.put(2, null);
map.put(3, null);
map.put(4, null);
map.put(5, null);
map.put(6, null);
map.put(7, null);
map.put(8, null);
map.put(9, null);
map.put(10, null);
map.put(16, null);
map.put(35, null);
map.put(1, null);
System.out.println("扩容前大小[main]:"+map.size());
new Thread() {
@Override
public void run() {
// 放第 13 个元素, 发生扩容
map.put(50, null);
System.out.println("扩容后大小[Thread-0]:"+map.size());
}
}.start();
new Thread() {
@Override
public void run() {
// 放第 13 个元素, 发生扩容
map.put(50, null);
System.out.println("扩容后大小[Thread-1]:"+map.size());
}
}.start();
}
final static int hash(Object k) {
int h = 0;
if (0 != h && k instanceof String) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
死链复现
调试工具使用 idea
在 HashMap 源码 590 行加断点
int newCapacity = newTable.length;
断点的条件如下，目的是让 HashMap 在扩容为 32 时，并且线程为 Thread-0 或 Thread-1 时停下来
newTable.length==32 &&
(
Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")||
Thread.currentThread().getName().equals("Thread-1")
)
断点暂停方式选择 Thread，否则在调试 Thread-0 时，Thread-1 无法恢复运行
运行代码，程序在预料的断点位置停了下来，输出
长度为16时，桶下标为1的key
1
16
35
50
长度为32时，桶下标为1的key
1
35
扩容前大小[main]:12
接下来进入扩容流程调试
在 HashMap 源码 594 行加断点
Entry<K,V> next = e.next; // 593
if (rehash) // 594
// ...
这是为了观察 e 节点和 next 节点的状态，Thread-0 单步执行到 594 行，再 594 处再添加一个断点（条件Thread.currentThread().getName().equals(“Thread-0”)）
这时可以在 Variables 面板观察到 e 和 next 变量，使用 view as -> Object 查看节点状态
e (1)->(35)->(16)->null
next (35)->(16)->null
在 Threads 面板选中 Thread-1 恢复运行，可以看到控制台输出新的内容如下，Thread-1 扩容已完成
newTable[1] (35)->(1)->null
扩容后大小:13
这时 Thread-0 还停在 594 处， Variables 面板变量的状态已经变化为
e (1)->null
next (35)->(1)->null
为什么呢，因为 Thread-1 扩容时链表也是后加入的元素放入链表头，因此链表就倒过来了，但 Thread-1 虽然结果正确，但它结束后 Thread-0 还要继续运行
接下来就可以单步调试（F8）观察死链的产生了
下一轮循环到 594，将 e 搬迁到 newTable 链表头
newTable[1] (1)->null
e (35)->(1)->null
next (1)->null
下一轮循环到 594，将 e 搬迁到 newTable 链表头
newTable[1] (35)->(1)->null
e (1)->null
next null
再看看源码
e.next = newTable[1];
// 这时 e (1,35)
// 而 newTable[1] (35,1)->(1,35) 因为是同一个对象
newTable[1] = e;
// 再尝试将 e 作为链表头, 死链已成
e = next;
// 虽然 next 是 null, 会进入下一个链表的复制, 但死链已经形成了
源码分析
HashMap 的并发死链发生在扩容时
// 将 table 迁移至 newTable
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
// 1 处
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
// 2 处
// 将新元素加入 newTable[i], 原 newTable[i] 作为新元素的 next
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}
假设 map 中初始元素是
原始链表，格式：[下标] (key,next)
[1] (1,35)->(35,16)->(16,null)
线程 a 执行到 1 处 ，此时局部变量 e 为 (1,35)，而局部变量 next 为 (35,16) 线程 a 挂起
线程 b 开始执行
第一次循环
[1] (1,null)
第二次循环
[1] (35,1)->(1,null)
第三次循环
[1] (35,1)->(1,null)
[17] (16,null)
切换回线程 a，此时局部变量 e 和 next 被恢复，引用没变但内容变了：e 的内容被改为 (1,null)，而 next 的内
容被改为 (35,1) 并链向 (1,null)
第一次循环
[1] (1,null)
第二次循环，注意这时 e 是 (35,1) 并链向 (1,null) 所以 next 又是 (1,null)
[1] (35,1)->(1,null)
第三次循环，e 是 (1,null)，而 next 是 null，但 e 被放入链表头，这样 e.next 变成了 35 （2 处）
[1] (1,35)->(35,1)->(1,35)
已经是死链了
小结
- 究其原因，是因为在多线程环境下使用了非线程安全的 map 集合
- JDK 8 虽然将扩容算法做了调整，不再将元素加入链表头（而是保持与扩容前一样的顺序），但仍不意味着能够在多线程环境下能够安全扩容，还会出现其它问题（如扩容丢数据）
2. JDK 8 ConcurrentHashMap
重要属性和内部类
// 默认为 0
// 当初始化时, 为 -1
// 当扩容时, 为 -(1 + 扩容线程数)
// 当初始化或扩容完成后，为 下一次的扩容的阈值大小
private transient volatile int sizeCtl;
// 整个 ConcurrentHashMap 就是一个 Node[]
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {}
// hash 表
transient volatile Node<K,V>[] table;
// 扩容时的 新 hash 表
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
// 扩容时如果某个 bin 迁移完毕, 用 ForwardingNode 作为旧 table bin 的头结点
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {}
// 用在 compute 以及 computeIfAbsent 时, 用来占位, 计算完成后替换为普通 Node
static final class ReservationNode<K,V> extends Node<K,V> {}
// 作为 treebin 的头节点, 存储 root 和 first
static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {}
// 作为 treebin 的节点, 存储 parent, left, right
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {}
重要方法
// 获取 Node[] 中第 i 个 Node
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i)
// cas 修改 Node[] 中第 i 个 Node 的值, c 为旧值, v 为新值
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> c, Node<K,V> v)
// 直接修改 Node[] 中第 i 个 Node 的值, v 为新值
static final <K,V> void setTabAt(Node<K,V>[] tab, int i, Node<K,V> v)
构造器分析
可以看到实现了懒惰初始化，在构造方法中仅仅计算了 table 的大小，以后在第一次使用时才会真正创建
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) {
if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (initialCapacity < concurrencyLevel) // Use at least as many bins
initialCapacity = concurrencyLevel; // as estimated threads
long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
// tableSizeFor 仍然是保证计算的大小是 2^n, 即 16,32,64 ...
int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
this.sizeCtl = cap;
}
get 流程
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
// spread 方法能确保返回结果是正数
int h = spread(key.hashCode());
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
// 如果头结点已经是要查找的 key
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
// hash 为负数表示该 bin 在扩容中或是 treebin, 这时调用 find 方法来查找
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
// 正常遍历链表, 用 equals 比较
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
put 流程
以下数组简称（table），链表简称（bin）
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
// 其中 spread 方法会综合高位低位, 具有更好的 hash 性
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
// f 是链表头节点
// fh 是链表头结点的 hash
// i 是链表在 table 中的下标
Node<K,V> f; int n, i, fh;
// 要创建 table
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
// 初始化 table 使用了 cas, 无需 synchronized 创建成功, 进入下一轮循环
tab = initTable();
// 要创建链表头节点
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
// 添加链表头使用了 cas, 无需 synchronized
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break;
}
// 帮忙扩容
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
// 帮忙之后, 进入下一轮循环
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
// 锁住链表头节点
synchronized (f) {
// 再次确认链表头节点没有被移动
if (tabAt(tab, i) == f) {
// 链表
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
// 遍历链表
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
// 找到相同的 key
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
// 更新
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
// 已经是最后的节点了, 新增 Node, 追加至链表尾
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
// 红黑树
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
binCount = 2;
// putTreeVal 会看 key 是否已经在树中, 是, 则返回对应的 TreeNode
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
// 释放链表头节点的锁
}
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
// 如果链表长度 >= 树化阈值(8), 进行链表转为红黑树
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
// 增加 size 计数
addCount(1L, binCount);
return null;
}
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield();
// 尝试将 sizeCtl 设置为 -1（表示初始化 table）
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
// 获得锁, 创建 table, 这时其它线程会在 while() 循环中 yield 直至 table 创建
try {
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
// check 是之前 binCount 的个数
private final void addCount(long x, int check) {
CounterCell[] as; long b, s;
if (
// 已经有了 counterCells, 向 cell 累加
(as = counterCells) != null ||
// 还没有, 向 baseCount 累加
!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)
) {
CounterCell a; long v; int m;
boolean uncontended = true;
if (
// 还没有 counterCells
as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
// 还没有 cell
(a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
// cell cas 增加计数失败
!(uncontended = U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))
) {
// 创建累加单元数组和cell, 累加重试
fullAddCount(x, uncontended);
return;
}
if (check <= 1)
return;
// 获取元素个数
s = sumCount();
}
if (check >= 0) {
Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
int rs = resizeStamp(n);
if (sc < 0) {
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
// newtable 已经创建了，帮忙扩容
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
transfer(tab, nt);
}
// 需要扩容，这时 newtable 未创建
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);
s = sumCount();
}
}
}
size 计算流程
size 计算实际发生在 put，remove 改变集合元素的操作之中
- 没有竞争发生，向 baseCount 累加计数
- 有竞争发生，新建 counterCells，向其中的一个 cell 累加计数
- counterCells 初始有两个 cell
- 如果计数竞争比较激烈，会创建新的 cell 来累加计数
public int size() {
long n = sumCount();
return ((n < 0L) ? 0 :
(n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
(int)n);
}
final long sumCount() {
CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
// 将 baseCount 计数与所有 cell 计数累加
long sum = baseCount;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
Java 8 数组（Node） +（ 链表 Node | 红黑树 TreeNode ） 以下数组简称（table），链表简称（bin）
- 初始化，使用 cas 来保证并发安全，懒惰初始化 table
- 树化，当 table.length < 64 时，先尝试扩容，超过 64 时，并且 bin.length > 8 时，会将链表树化，树化过程会用 synchronized 锁住链表头
- put，如果该 bin 尚未创建，只需要使用 cas 创建 bin；如果已经有了，锁住链表头进行后续 put 操作，元素添加至 bin 的尾部
- get，无锁操作仅需要保证可见性，扩容过程中 get 操作拿到的是 ForwardingNode 它会让 get 操作在新 table 进行搜索
- 扩容，扩容时以 bin 为单位进行，需要对 bin 进行 synchronized，但这时妙的是其它竞争线程也不是无事可做，它们会帮助把其它 bin 进行扩容，扩容时平均只有 1/6 的节点会把复制到新 table 中
- size，元素个数保存在 baseCount 中，并发时的个数变动保存在 CounterCell[] 当中。最后统计数量时累加即可
3. JDK 7 ConcurrentHashMap
它维护了一个 segment 数组，每个 segment 对应一把锁
- 优点：如果多个线程访问不同的 segment，实际是没有冲突的，这与 jdk8 中是类似的
- 缺点：Segments 数组默认大小为16，这个容量初始化指定后就不能改变了，并且不是懒惰初始化
构造器分析
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;
// ssize 必须是 2^n, 即 2, 4, 8, 16 ... 表示了 segments 数组的大小
int sshift = 0;
int ssize = 1;
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
// segmentShift 默认是 32 - 4 = 28
this.segmentShift = 32 - sshift;
// segmentMask 默认是 15 即 0000 0000 0000 1111
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;
// 创建 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;
}
构造完成，如下图所示
可以看到 ConcurrentHashMap 没有实现懒惰初始化，空间占用不友好
其中 this.segmentShift 和 this.segmentMask 的作用是决定将 key 的 hash 结果匹配到哪个 segment
例如，根据某一 hash 值求 segment 位置，先将高位向低位移动 this.segmentShift 位
put 流程
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
// 计算出 segment 下标
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
// 获得 segment 对象, 判断是否为 null, 是则创建该 segment
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) {
// 这时不能确定是否真的为 null, 因为其它线程也发现该 segment 为 null,
// 因此在 ensureSegment 里用 cas 方式保证该 segment 安全性
s = ensureSegment(j);
}
// 进入 segment 的put 流程
return s.put(key, hash, value, false);
}
segment 继承了可重入锁（ReentrantLock），它的 put 方法为
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 尝试加锁
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
// 如果不成功, 进入 scanAndLockForPut 流程
// 如果是多核 cpu 最多 tryLock 64 次, 进入 lock 流程
// 在尝试期间, 还可以顺便看该节点在链表中有没有, 如果没有顺便创建出来
scanAndLockForPut(key, hash, value);
// 执行到这里 segment 已经被成功加锁, 可以安全执行
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) {
// 更新
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 {
// 新增
// 1) 之前等待锁时, node 已经被创建, next 指向链表头
if (node != null)
node.setNext(first);
else
// 2) 创建新 node
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
// 3) 扩容
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
// 将 node 作为链表头
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
rehash 流程
发生在 put 中，因为此时已经获得了锁，因此 rehash 时不需要考虑线程安全
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
int newCapacity = oldCapacity << 1;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
HashEntry<K,V>[] newTable =
(HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
int sizeMask = newCapacity - 1;
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
if (e != null) {
HashEntry<K,V> next = e.next;
int idx = e.hash & sizeMask;
if (next == null) // Single node on list
newTable[idx] = e;
else { // Reuse consecutive sequence at same slot
HashEntry<K,V> lastRun = e;
int lastIdx = idx;
// 过一遍链表, 尽可能把 rehash 后 idx 不变的节点重用
for (HashEntry<K,V> last = next;
last != null;
last = last.next) {
int k = last.hash & sizeMask;
if (k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
newTable[lastIdx] = lastRun;
// 剩余节点需要新建
for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
V v = p.value;
int h = p.hash;
int k = h & sizeMask;
HashEntry<K,V> n = newTable[k];
newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
}
}
}
}
// 扩容完成, 才加入新的节点
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node;
// 替换为新的 HashEntry table
table = newTable;
}
附，调试代码
public static void main(String[] args) {
ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
int hash = hash(i);
int segmentIndex = (hash >>> 28) & 15;
if (segmentIndex == 4 && hash % 8 == 2) {
System.out.println(i + "\t" + segmentIndex + "\t" + hash % 2 + "\t" + hash % 4 +
"\t" + hash % 8);
}
}
map.put(1, "value");
map.put(15, "value"); // 2 扩容为 4 15 的 hash%8 与其他不同
map.put(169, "value");
map.put(197, "value"); // 4 扩容为 8
map.put(341, "value");
map.put(484, "value");
map.put(545, "value"); // 8 扩容为 16
map.put(912, "value");
map.put(941, "value");
System.out.println("ok");
}
private static int hash(Object k) {
int h = 0;
if ((0 != h) && (k instanceof String)) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
// Spread bits to regularize both segment and index locations,
// using variant of single-word Wang/Jenkins hash.
h += (h << 15) ^ 0xffffcd7d;
h ^= (h >>> 10);
h += (h << 3);
h ^= (h >>> 6);
h += (h << 2) + (h << 14);
int v = h ^ (h >>> 16);
return v;
}
get 流程
get 时并未加锁，用了 UNSAFE 方法保证了可见性，扩容过程中，get 先发生就从旧表取内容，get 后发生就从新表取内容
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key);
// u 为 segment 对象在数组中的偏移量
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
// s 即为 segment
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
(tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
e != null; e = e.next) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
return e.value;
}
}
return null;
}
size 计算流程
- 计算元素个数前，先不加锁计算两次，如果前后两次结果如一样，认为个数正确返回
- 如果不一样，进行重试，重试次数超过 3，将所有 segment 锁住，重新计算个数返回
public int size() {
// Try a few times to get accurate count. On failure due to
// continuous async changes in table, resort to locking.
final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
int size;
boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
long sum; // sum of modCounts
long last = 0L; // previous sum
int retries = -1; // first iteration isn't retry
try {
for (;;) {
if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
// 超过重试次数, 需要创建所有 segment 并加锁
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
ensureSegment(j).lock(); // force creation
}
sum = 0L;
size = 0;
overflow = false;
for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
if (seg != null) {
sum += seg.modCount;
int c = seg.count;
if (c < 0 || (size += c) < 0)
overflow = true;
}
}
if (sum == last)
break;
last = sum;
}
} finally {
if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
segmentAt(segments, j).unlock();
}
}
return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}
3.BlockingQueue
*** (Linked)BlockingQueue 原理**
1. 基本的入队出队
public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E> implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
static class Node<E> {
E item;
/**
* 下列三种情况之一
* - 真正的后继节点
* - 自己, 发生在出队时
* - null, 表示是没有后继节点, 是最后了
*/
Node<E> next;
Node(E x) { item = x; }
}
}
初始化链表 last = head = new Node(null); Dummy 节点用来占位，item 为 null
当一个节点入队 last = last.next = node;
再来一个节点入队 last = last.next = node;
出队
Node<E> h = head;
Node<E> first = h.next;
h.next = h; // help GC
head = first;
E x = first.item;
first.item = null;
return x;
h = head
first = h.next
h.next = h
head = first
E x = first.item;
first.item = null;
return x;
2. 加锁分析
高明之处在于用了两把锁和 dummy 节点
- 用一把锁，同一时刻，最多只允许有一个线程（生产者或消费者，二选一）执行
- 用两把锁，同一时刻，可以允许两个线程同时（一个生产者与一个消费者）执行
- 消费者与消费者线程仍然串行
- 生产者与生产者线程仍然串行
线程安全分析
- 当节点总数大于 2 时（包括 dummy 节点），putLock 保证的是 last 节点的线程安全，takeLock 保证的是 head 节点的线程安全。两把锁保证了入队和出队没有竞争
- 当节点总数等于 2 时（即一个 dummy 节点，一个正常节点）这时候，仍然是两把锁锁两个对象，不会竞争
- 当节点总数等于 1 时（就一个 dummy 节点）这时 take 线程会被 notEmpty 条件阻塞，有竞争，会阻塞
// 用于 put(阻塞) offer(非阻塞)
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
// 用户 take(阻塞) poll(非阻塞)
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
put 操作
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
int c = -1;
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
// count 用来维护元素计数
final AtomicInteger count = this.count;
putLock.lockInterruptibly();
try {
// 满了等待
while (count.get() == capacity) {
// 倒过来读就好: 等待 notFull
notFull.await();
}
// 有空位, 入队且计数加一
enqueue(node);
c = count.getAndIncrement();
// 除了自己 put 以外, 队列还有空位, 由自己叫醒其他 put 线程
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
} finally {
putLock.unlock();
}
// 如果队列中有一个元素, 叫醒 take 线程
if (c == 0)
// 这里调用的是 notEmpty.signal() 而不是 notEmpty.signalAll() 是为了减少竞争
signalNotEmpty();
}
take 操作
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly();
try {
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await();
}
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock();
}
// 如果队列中只有一个空位时, 叫醒 put 线程
// 如果有多个线程进行出队, 第一个线程满足 c == capacity, 但后续线程 c < capacity
if (c == capacity)
// 这里调用的是 notFull.signal() 而不是 notFull.signalAll() 是为了减少竞争
signalNotFull()
return x;
}
由 put 唤醒 put 是为了避免信号不足
3. 性能比较
主要列举 LinkedBlockingQueue 与 ArrayBlockingQueue 的性能比较
- Linked 支持有界，Array 强制有界
- Linked 实现是链表，Array 实现是数组
- Linked 是懒惰的，而 Array 需要提前初始化 Node 数组
- Linked 每次入队会生成新 Node，而 Array 的 Node 是提前创建好的
- Linked 两把锁，Array 一把锁
4.ConcurrentLinkedQueue
ConcurrentLinkedQueue 的设计与 LinkedBlockingQueue 非常像，也是
- 两把【锁】，同一时刻，可以允许两个线程同时（一个生产者与一个消费者）执行
- dummy 节点的引入让两把【锁】将来锁住的是不同对象，避免竞争
- 只是这【锁】使用了 cas 来实现
事实上，ConcurrentLinkedQueue 应用还是非常广泛的
例如之前讲的 Tomcat 的 Connector 结构时，Acceptor 作为生产者向 Poller 消费者传递事件信息时，正是采用了ConcurrentLinkedQueue 将 SocketChannel 给 Poller 使用
ConcurrentLinkedQueue 原理
1. 模仿 ConcurrentLinkedQueue
初始代码
package cn.itcast.concurrent.thirdpart.test;
import java.util.Collection;
import java.util.Iterator;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class Test3 {
public static void main(String[] args) {
MyQueue<String> queue = new MyQueue<>();
queue.offer("1");
queue.offer("2");
queue.offer("3");
System.out.println(queue);
}
}
class MyQueue<E> implements Queue<E> {
@Override
public String toString() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (Node<E> p = head; p != null; p = p.next.get()) {
E item = p.item;
if (item != null) {
sb.append(item).append("->");
}
}
sb.append("null");
return sb.toString();
}
@Override
public int size() {
return 0;
}
@Override
public boolean isEmpty() {
return false;
}
@Override
public boolean contains(Object o) {
return false;
}
@Override
public Iterator<E> iterator() {
return null;
}
@Override
public Object[] toArray() {
return new Object[0];
}
@Override
public <T> T[] toArray(T[] a) {
return null;
}
@Override
public boolean add(E e) {
return false;
}
@Override
public boolean remove(Object o) {
return false;
}
@Override
public boolean containsAll(Collection<?> c) {
return false;
}
@Override
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
return false;
}
@Override
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
return false;
}
@Override
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
return false;
}
@Override
public void clear() {
}
@Override
public E remove() {
return null;
}
@Override
public E element() {
return null;
}
@Override
public E peek() {
return null;
}
public MyQueue() {
head = last = new Node<>(null, null);
}
private volatile Node<E> last;
private volatile Node<E> head;
private E dequeue() {
/*Node<E> h = head;
Node<E> first = h.next;
h.next = h;
head = first;
E x = first.item;
first.item = null;
return x;*/
return null;
}
@Override
public E poll() {
return null;
}
@Override
public boolean offer(E e) {
return true;
}
static class Node<E> {
volatile E item;
public Node(E item, Node<E> next) {
this.item = item;
this.next = new AtomicReference<>(next);
}
AtomicReference<Node<E>> next;
}
}
offer方法
public boolean offer(E e) {
Node<E> n = new Node<>(e, null);
while(true) {
// 获取尾节点
AtomicReference<Node<E>> next = last.next;
// S1: 真正尾节点的 next 是 null, cas 从 null 到新节点
if(next.compareAndSet(null, n)) {
// 这时的 last 已经是倒数第二, next 不为空了, 其它线程的 cas 肯定失败
// S2: 更新 last 为倒数第一的节点
last = n;
return true;
}
}
}
5.CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArraySet 是它的马甲 底层实现采用了 写入时拷贝 的思想，增删改操作会将底层数组拷贝一份，更改操作在新数组上执行，这时不影响其它线程的并发读，读写分离。 以新增为例：
public boolean add(E e) {
synchronized (lock) {
// 获取旧的数组
Object[] es = getArray();
int len = es.length;
// 拷贝新的数组（这里是比较耗时的操作，但不影响其它读线程）
es = Arrays.copyOf(es, len + 1);
// 添加新元素
es[len] = e;
// 替换旧的数组
setArray(es);
return true;
}
}
这里的源码版本是 Java 11，在 Java 1.8 中使用的是可重入锁而不是 synchronized
其它读操作并未加锁，例如：
public void forEach(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
for (Object x : getArray()) {
@SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) x;
action.accept(e);
}
}
适合『读多写少』的应用场景
get 弱一致性
不容易测试，但问题确实存在
迭代器弱一致性
CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
Iterator<Integer> iter = list.iterator();
new Thread(() -> {
list.remove(0);
System.out.println(list);
}).start();
sleep1s();
while (iter.hasNext()) {
System.out.println(iter.next());
}
不要觉得弱一致性就不好
- 数据库的 MVCC 都是弱一致性的表现
- 并发高和一致性是矛盾的，需要权衡
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