ConcurrentHashMap源码

ConcurrentHashMap 1.7

存储结构

Java 7 中 ConcurrentHashMap 的存储结构如上图，ConcurrnetHashMap 由很多个 Segment 组合，而每一个 Segment 是一个类似于 HashMap 的结构，所以每一个 HashMap 的内部可以进行扩容。但是 Segment 的个数一旦初始化就不能改变，默认 Segment 的个数是 16 个。

初始化
无参构造：

    /**
 * Creates a new, empty map with a default initial capacity (16),
 * load factor (0.75) and concurrencyLevel (16).
 */
public ConcurrentHashMap() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
}

有参构造函数的内部实现逻辑：

@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
// 参数校验
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
    throw new IllegalArgumentException();
// 校验并发级别大小，大于 1<<16，重置为 65536
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
    concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
// 2的多少次方
int sshift = 0;
int ssize = 1;
// 这个循环可以找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值
while (ssize < concurrencyLevel) {
    ++sshift;
    ssize <<= 1;
}
// 记录段偏移量
this.segmentShift = 32 - sshift;
// 记录段掩码
this.segmentMask = ssize - 1;
// 设置容量
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
    initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// c = 容量 / ssize ，默认 16 / 16 = 1，这里是计算每个 Segment 中的类似于 HashMap 的容量
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
    ++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
//Segment 中的类似于 HashMap 的容量至少是2或者2的倍数
while (cap < c)
    cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
// 创建 Segment 数组，设置 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;
}

Java 7 中 ConcurrentHashMap 的初始化逻辑。

必要参数校验。
校验并发级别 concurrencyLevel 大小，如果大于最大值，重置为最大值。无参构造默认值是 16。
寻找并发级别 concurrencyLevel 之上最近的 2 的幂次方值，作为初始化容量大小，默认是 16。
记录 segmentShift 偏移量，这个值为【容量 = 2 的 N 次方】中的 N，在后面 Put 时计算位置时会用到。默认是 32 - sshift = 28。
记录 segmentMask，默认是 ssize - 1 = 16 -1 = 15。
初始化 segments[0]，默认大小为 2，负载因子 0.75，扩容阀值是 2*0.75=1.5，插入第二个值时才会进行扩容。

put 方法源码

/**
* Maps the specified key to the specified value in this table.
* Neither the key nor the value can be null.
*
* <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method
* with a key that is equal to the original key.
*
* @param key key with which the specified value is to be associated
 * @param value value to be associated with the specified key
* @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
*         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>
* @throws NullPointerException if the specified key or value is null
 */
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
    throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
// hash 值无符号右移 28位（初始化时获得），然后与 segmentMask=15 做与运算
// 其实也就是把高4位与segmentMask（1111）做与运算
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
     (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
    // 如果查找到的 Segment 为空，初始化
    s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}

/**
 * Returns the segment for the given index, creating    it and
 * recording in segment table (via CAS) if not  already present.
 *
 * @param k the index
 * @return the segment
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
    final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
    long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
    Segment<K,V> seg;
    // 判断 u 位置的 Segment 是否为null
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile   (ss, u)) == null) {
        Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0    as prototype
        // 获取0号 segment 里的 HashEntry<K,V> 初始化   长度
        int cap = proto.table.length;
        // 获取0号 segment 里的 hash 表里的扩容负载因   子，所有的 segment 的 loadFactor 是相同的
        float lf = proto.loadFactor;
        // 计算扩容阀值
        int threshold = (int)(cap * lf);
        // 创建一个 cap 容量的 HashEntry 数组
        HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new    HashEntry[cap];
        if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.    getObjectVolatile(ss, u)) == null) { //     recheck
            // 再次检查 u 位置的 Segment 是否为null，因 为这时可能有其他线程进行了操作
            Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf,   threshold, tab);
            // 自旋检查 u 位置的 Segment 是否为null
            while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE. getObjectVolatile(ss, u))
                   == null) {
                // 使用CAS 赋值，只会成功一次
                if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss,     u, null, seg = s))
                    break;
            }
        }
    }
    return seg;
}

put 一个数据时的处理流程。
1.计算要 put 的 key 的位置，获取指定位置的 Segment。

2.如果指定位置的 Segment 为空，则初始化这个 Segment。

初始化 Segment 流程：

检查计算得到的位置的 Segment 是否为 null。
为 null 继续初始化，使用 Segment[0] 的容量和负载因子创建一个 HashEntry 数组。
再次检查计算得到的指定位置的 Segment 是否为 null。
使用创建的 HashEntry 数组初始化这个 Segment.
自旋判断计算得到的指定位置的 Segment 是否为 null，使用 CAS 在这个位置赋值为 Segment。

3.Segment.put 插入 key,value 值。

Segment 的 put 方法：

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 获取 ReentrantLock 独占锁，获取不到，scanAndLockForPut 获取。
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
    HashEntry<K,V>[] tab = table;
    // 计算要put的数据位置
    int index = (tab.length - 1) & hash;
    // CAS 获取 index 坐标的值
    HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
    for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
        if (e != null) {
            // 检查是否 key 已经存在，如果存在，则遍历链表寻找位置，找到后替换 value
            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 {
            // first 有值没说明 index 位置已经有值了，有冲突，链表头插法。
            if (node != null)
                node.setNext(first);
            else
                node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
            int c = count + 1;
            // 容量大于扩容阀值，小于最大容量，进行扩容
            if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                rehash(node);
            else
                // index 位置赋值 node，node 可能是一个元素，也可能是一个链表的表头
                setEntryAt(tab, index, node);
            ++modCount;
            count = c;
            oldValue = null;
            break;
        }
    }
} finally {
    unlock();
}
return oldValue;
}

由于 Segment 继承了 ReentrantLock，所以 Segment 内部可以很方便的获取锁，put 流程就用到了这个功能。

tryLock() 获取锁，获取不到使用 scanAndLockForPut 方法继续获取。
计算 put 的数据要放入的 index 位置，然后获取这个位置上的 HashEntry 。
遍历 put 新元素，为什么要遍历？因为这里获取的 HashEntry 可能是一个空元素，也可能是链表已存在，所以要区别对待。
如果这个位置上的 HashEntry 不存在：
1. 如果当前容量大于扩容阀值，小于最大容量，进行扩容。
2. 直接头插法插入。
如果这个位置上的 HashEntry 存在：
1. 判断链表当前元素 key 和 hash 值是否和要 put 的 key 和 hash 值一致。一致则替换值。
2. 不一致，获取链表下一个节点，直到发现相同进行值替换，或者链表表里完毕没有相同的。
  1. 如果当前容量大于扩容阀值，小于最大容量，进行扩容。
  2. 直接链表头插法插入。
如果要插入的位置之前已经存在，替换后返回旧值，否则返回 null。

scanAndLockForPut 这个方法做的操作就是不断的自旋 tryLock() 获取锁。当自旋次数大于指定次数时，使用 lock() 阻塞获取锁。在自旋时顺表获取下 hash 位置的 HashEntry。

private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
HashEntry<K,V> e = first;
HashEntry<K,V> node = null;
int retries = -1; // negative while locating node
// 自旋获取锁
while (!tryLock()) {
    HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
    if (retries < 0) {
        if (e == null) {
            if (node == null) // speculatively create node
                node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
            retries = 0;
        }
        else if (key.equals(e.key))
            retries = 0;
        else
            e = e.next;
    }
    else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
        // 自旋达到指定次数后，阻塞等到只到获取到锁
        lock();
        break;
    }
    else if ((retries & 1) == 0 &&
             (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
        e = first = f; // re-traverse if entry changed
        retries = -1;
    }
}
return node;
}

扩容 rehash
ConcurrentHashMap 的扩容只会扩容到原来的两倍。老数组里的数据移动到新的数组时，位置要么不变，要么变为 index + oldSize，参数里的 node 会在扩容之后使用链表头插法插入到指定位置。

private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
// 老容量
int oldCapacity = oldTable.length;
// 新容量，扩大两倍
int newCapacity = oldCapacity << 1;
// 新的扩容阀值
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
// 创建新的数组
HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
// 新的掩码，默认2扩容后是4，-1是3，二进制就是11。
int sizeMask = newCapacity - 1;
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
    // 遍历老数组
    HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
    if (e != null) {
        HashEntry<K,V> next = e.next;
        // 计算新的位置，新的位置只可能是不变或者是老的位置+老的容量。
        int idx = e.hash & sizeMask;
        if (next == null)   //  Single node on list
            // 如果当前位置还不是链表，只是一个元素，直接赋值
            newTable[idx] = e;
        else { // Reuse consecutive sequence at same slot
            // 如果是链表了
            HashEntry<K,V> lastRun = e;
            int lastIdx = idx;
            // 新的位置只可能是不变或者是老的位置+老的容量。
            // 遍历结束后，lastRun 后面的元素位置都是相同的
            for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) {
                int k = last.hash & sizeMask;
                if (k != lastIdx) {
                    lastIdx = k;
                    lastRun = last;
                }
            }
            // ，lastRun 后面的元素位置都是相同的，直接作为链表赋值到新位置。
            newTable[lastIdx] = lastRun;
            // Clone remaining nodes
            for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
                // 遍历剩余元素，头插法到指定 k 位置。
                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);
            }
        }
    }
}
// 头插法插入新的节点
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node;
table = newTable;
}

ConcurrentHashMap 1.8

Java8 的 ConcurrentHashMap 相对于 Java7 来说变化比较大，不再是之前的 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表，而是 Node 数组 + 链表 / 红黑树。当冲突链表达到一定长度时，链表会转换成红黑树。

初始化 initTable

/**
 * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
 */
private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        //　如果 sizeCtl < 0 ,说明另外的线程执行CAS 成功，正在进行初始化。
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            // 让出 CPU 使用权
            Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                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;
}

ConcurrentHashMap 的初始化是通过自旋和 CAS 操作完成的。里面需要注意的是变量 sizeCtl （sizeControl 的缩写），它的值决定着当前的初始化状态。

-1 说明正在初始化，其他线程需要自旋等待
-N 说明 table 正在进行扩容，高 16 位表示扩容的标识戳，低 16 位减 1 为正在进行扩容的线程数
0 表示 table 初始化大小，如果 table 没有初始化
大于0表示 table 扩容的阈值，如果 table 已经初始化。

put

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) {
    // key 和 value 不能为空
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        // f = 目标位置元素
        Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 后面存放目标位置的元素 hash 值
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            // 数组桶为空，初始化数组桶（自旋+CAS)
            tab = initTable();
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            // 桶内为空，CAS 放入，不加锁，成功了就直接 break 跳出
            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;
            // 使用 synchronized 加锁加入节点
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    // 说明是链表
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        // 循环加入新的或者覆盖节点
                        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) {
                        // 红黑树
                        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;
}

根据 key 计算出 hashcode 。
判断是否需要进行初始化。
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 则要执行树化方法，在 treeifyBin 中会首先判断当前数组长度 ≥64 时才会将链表转换为红黑树。

Java

#Java

ConcurrentHashMap源码

http://bloomivy.github.io/2025/01/28/ConcurrentHashMap源码/

作者

Bloom

发布于

2025年1月28日

许可协议

Go基本语法上一篇

HashMap源码下一篇