HashMap邻居：ConcurrentHashMap

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#java #hashmap #多线程

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HashMap

在进入今天的主题之前先来讲讲大家都熟知的HashMap类：
HashMap是集合中的一个重要的类，继承自Map接口，Map和其他集合最大的不同点就在于它是以键值对的形式储存数据，HashMap在开发中一个很致命的问题在于它的线程不安全性，在多线程下进行put()方法时有可能造成链表的闭环，从而形成死循环，然后就需要找寻线程安全的类。

HashTable

接下来看一下HashTable类，它是线程安全的，而它的线程安全操作是在所有涉及到多线程操作的地方都加上了synchronized关键字将整个集合锁住，在保证线程安全的同时这种方法会使得效率非常低下。

那有没有既能保持线程的安全性的同时，又能够使得效率更高呢

ConcurrentHashMap

分段锁机制

ConcurrentHashMap在最开始的时候（jdk1.7之前），为了同时解决安全和效率两大问题，采用了分段锁机制来储存数据，具体操作是：在集合对象中储存一个segment数组，把集合的元素分为16个分段，每个分段上储存一个HashEntry数组及对应的链表，每个HashEntry数组就相当于一个HashMap

当触发锁时每一个segment中都会有一个独立的锁，而不会将整个对象锁住，所以多线程操作时每个segment中的数据不会相互影响，从而保证了效率
当然，这样储存的版本还有着不少的问题，如最多并发只有16个，结构过于臃肿等等，随着版本的迭代，在jdk1.8时更改了ConcurrentHashMap的结构，使之更加完善

jdk1.8的ConcurrentHashMap

CAS原理

jdk1.8版本的ConcurrentHashMap与之前版本相较而言，一个较大的改变就是摈弃了segment数组，利用CAS原理解决并发问题，CAS原理也叫作比较交换原理，其中有三个数：所存的值V，预期的值A，要变换成为的新值B
当A和V相同时，V会修改成B，否则不进行操作。这样就能较好的解决线程安全的问题。

数据结构

在jdk1.8版本之后，ConcurrentHashMap是摒弃了segment数组的数据结构，而是采用了和HashMap差不多的数组+链表+红黑树的结构：
jdk1.8版本的ConcurrentHashMap
我们先来看一个简单的ConcurrentHashMap的例子：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class DemoConcurrentHashMap {


    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentHashMap<String,Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
        String key = "aaa";
        int value = 1;
        map.put(key,value);
        System.out.println(key + "--->" + map.get(key));
    }
}

运行结果为：
运行结果——ConcurrentHashMap
可见，map常用的put()和get()方法在ConcurrentHashMap中实现起来和HashMap中似乎都一样，但是，进入源码中就能发现其中不同所在。

构造方法

首先看一下其构造方法：

public ConcurrentHashMap() {
    }

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
                   MAXIMUM_CAPACITY :
                   tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
        this.sizeCtl = cap;
    }

 public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
        putAll(m);
    }

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        this(initialCapacity, loadFactor, 1);
    }

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);
        int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
            MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
        this.sizeCtl = cap;
    }

ConcurrentHashMap共有5个构造方法：
它的无参构造方法非常特别，是一个空实现，也并没有对集合进行初始化操作，那么它的初始化在哪里进行呢：put()方法中。这个奇怪的构造方法也是它和其他集合一大不同点所在。

第二种构造函数传入数组大小，并且将sizeCtl进行赋值，其取值是最小的大于容量的一个2的次幂数
sizeCtl是一个用来控制数组大小的属性，有以下几种情况：
为-1时：代表正在进行初始化操作
为-n时：表示有n-1个线程进行扩容
正数时：若数组未初始化则表示正在进行初始化操作，否则则表示可用容量

其他的构造方法主要传入的参数有Map集合，初始容量，装载因子，线程数等，用法不多

put()方法

构造方法之后就应该进行传值了，和HashMap一样，也是用的put()方法：
源代码如下：

	public V put(K key, V value) {
        return putVal(key, value, false);
    }

    /** Implementation for put and putIfAbsent */
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        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) & hash)) == null) {
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                                K ek;
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                     (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                    oldVal = e.val;
                                    if (!onlyIfAbsent)
                                        e.val = value;
                                    break;
                                }
                                Node<K,V> pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            Node<K,V> p;
                            binCount = 2;
                            if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                           value)) != null) {
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            }
                        }
                    }
                }
                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }

该代码的逻辑都是if……else非常好理解：
1、如果键或值为null，抛出空指针异常
2、若数组未初始化，则调用initTable()方法进行初始化，这里就解决了构造方法未初始化的问题
3、否则，如果新插入的键没有产生hash冲突的话，便直接进行CAS插入
4、产生了hash冲突的话，如果头结点的hash值为MOVED（-1）的话，则表示应该进行扩容操作
5、产生hash冲突且不用扩容的话，将会对Node数组中该位置进行加锁，防止其他线程的更改，并且根据该位置储存的结构进行插入结点，如果数据结构是链表，则添加至最后一个位置，如果是红黑树，则添加到它应该在的位置
6、到这里，插入操作已经完成，还需判断插入之后，Node数组的该位置是否需要改变数据结构，如果需要则用treeifyBin()方法将链表转换为红黑树
最后记录一下table中元素个数，便完成一次添加元素的操作

get()方法

说完了元素添加之后，我们聊一聊也是常用的用于查找的get()方法
源码如下：

public V get(Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
        int h = spread(key.hashCode());
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
            if ((eh = e.hash) == h) {
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                    return e.val;
            }
            else if (eh < 0)
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            while ((e = e.next) != null) {
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }

和HashMap一样，ConcurrentHashMap的查找也需要先得到key的hash值，获取方法是spread()方法：

static final int spread(int h) {
        return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
    }

该方法将key的hash值高16位与低16位异或后再进行hash，两次hash减少hash冲突
计算出hash值后，定位到table上的对应位置
1、如果key是链表首节点就直接返回所对应的值
2、若Node节点的hash值小于0时，表示正在扩容，则调用正在扩容节点的find
方法查找
3、若都不成立，则搜寻链表

size()方法

看完put/get后，我们看一下另一个常用的方法：size
同样，我们先看它的源码：

public int size() {
        long n = sumCount();
        return ((n < 0L) ? 0 :
                (n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
                (int)n);
    }

可以看出，就一个重要的sumCount()方法，看一下它的源码：

 @sun.misc.Contended static final class CounterCell {
        volatile long value;
        CounterCell(long x) { value = x; }
    }

    final long sumCount() {
        CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
        long sum = baseCount;
        if (as != null) {
            for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
                if ((a = as[i]) != null)
                    sum += a.value;
            }
        }
        return sum;
    }

size()方法用一个volatile类型的变量baseCount记录元素的个数，如在前面的put()方法中，有一个addCount()方法，便是用来增加元素的个数而CounterCell数组，作用则是在多并发环境下辅助记录元素个数，在使用size()方法时将baseCount中的元素和CounterCell数组中的每个元素进行累加，结果则为当前的所有元素个数。
虽然jdk1.7的ConcurrentHashMap和HashMap结构上截然不同，但到了1.8版本，可以看到二者在数据结构上是有一定相似的，最大的不同还是在于线程安全方面。