【JUC源码解析】ConcurrentSkipListMap
简介
基于跳表，支持并发，有序的哈希表。
跳表
红色路径为寻找结点F。
拿空间换时间，时间复杂度，O(nlogn).
源码分析
内部类
Node
属性
1 final K key; // 键 2 volatile Object value; // 值 3 volatile Node<K,V> next; // 指向下一个结点
最底层是基础层，即使结点（Node）层，保存实际数据（value），next指向下一个结点
构造方法
1 Node(K key, Object value, Node<K,V> next) { // 构造方法 2 this.key = key; 3 this.value = value; 4 this.next = next; 5 } 6 7 Node(Node<K,V> next) { // 构造方法，用来构建标记结点，特点是值为自身 8 this.key = null; 9 this.value = this; 10 this.next = next; 11 }
标记（marker）结点的value值是自身。
核心方法
1 boolean isBaseHeader() { // 是否为头结点（每级） 2 return value == BASE_HEADER; 3 } 4 5 boolean appendMarker(Node<K,V> f) { // 插入标记结点 6 return casNext(f, new Node<K,V>(f)); 7 } 8 9 void helpDelete(Node<K,V> b, Node<K,V> f) { // 帮助删除 10 if (f == next && this == b.next) { // 如果b和f分别是自己的前驱结点和后继结点 11 if (f == null || f.value != f) // 当前结点还没有被标记删除（后接标记结点） 12 casNext(f, new Node<K,V>(f)); // 直接删除当前结点 13 else // 如果已经标记为删除，则一次性删除当前结点后标记结点 14 b.casNext(this, f.next); 15 } 16 }
Index
属性
1 final Node<K,V> node; // 指向实际结点 2 final Index<K,V> down; // 指向下级索引 3 volatile Index<K,V> right; // 指向右侧索引
自第一层往上，是索引层，各层的node域均指向垂直向下的结点（Node），down指向下面一层的索引，right指向右边一个索引
构造方法
1 Index(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right) { // 构造方法 2 this.node = node; 3 this.down = down; 4 this.right = right; 5 }
核心方法
1 final boolean indexesDeletedNode() { // 删除索引结点 2 return node.value == null; 3 } 4 5 final boolean link(Index<K,V> succ, Index<K,V> newSucc) { // 链接（右侧插入）新索引 6 Node<K,V> n = node; // 当前索引的node域 7 newSucc.right = succ; // 新索引的right域名设为当前索引的右侧索引 8 return n.value != null && casRight(succ, newSucc); // 若node结点没被删除，设置新索引到当前索引的right域 9 } 10 11 final boolean unlink(Index<K,V> succ) { // 解除当前索引的右侧索引 12 return node.value != null && casRight(succ, succ.right); // 若node结点没被删除，设置右侧索引的右侧索引到当前索引的right域 13 }
HeadIndex
1 static final class HeadIndex<K,V> extends Index<K,V> { // 继承Index 2 final int level; // 级别 3 HeadIndex(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right, int level) { 4 super(node, down, right); 5 this.level = level; 6 } 7 }
索引层最左边的索引，记录级别（层数）
数据结构
横向看，最下面一层是基础层，即是结点层，从第一层开始往上是索引层 ，head指向顶层最左边的索引。
纵向看，最左边一列是层数，0层（虚构的）是结点层，第二列第一行往上是头索引，右上是索引结点。
每个索引结点都有right域，指向右边的索引，也有down域，指向下面的索引，第一层索引的down域指向null，所有索引的node域均指向其下方的Node结点
基础层（结点层）有next域，指向右边的结点。
头索引有level属性，记录层级。
属性
1 private static final Object BASE_HEADER = new Object(); // 标明基础层（Node层）头节点 2 3 private transient volatile HeadIndex<K,V> head; // 最顶层头节点 4 5 final Comparator<? super K> comparator; // 比较器 6 7 private transient KeySet<K> keySet; // 键集合 8 9 private transient EntrySet<K,V> entrySet; // 键值对集合 10 11 private transient Values<V> values; // 值集合 12 13 private transient ConcurrentNavigableMap<K,V> descendingMap; // 降序（键）集合
构造方法
1 public ConcurrentSkipListMap() { 2 this.comparator = null; 3 initialize(); 4 } 5 6 public ConcurrentSkipListMap(Comparator<? super K> comparator) { 7 this.comparator = comparator; 8 initialize(); 9 } 10 11 public ConcurrentSkipListMap(Map<? extends K, ? extends V> m) { 12 this.comparator = null; 13 initialize(); 14 putAll(m); // 将m中的元素加入跳表 15 } 16 17 public ConcurrentSkipListMap(SortedMap<K, ? extends V> m) { 18 this.comparator = m.comparator(); 19 initialize(); 20 buildFromSorted(m); // 根据m的元素顺序批量构建跳表 21 }
核心方法
initialize()
1 private void initialize() { 2 keySet = null; 3 entrySet = null; 4 values = null; 5 descendingMap = null; 6 head = new HeadIndex<K, V>(new Node<K, V>(null, BASE_HEADER, null), null, null, 1); // Node.value = BASE_HEADER, 基础层(Node层)头节点 7 }
doPut(K, V, boolean)
方法签名
1 private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { 2 3 }
寻找插入点，构建新结点，完成基础层（Node层）的插入操作
1 Node<K, V> z; // 指向待插入结点 2 if (key == null) // 参数校验，键为空，抛出空指针异常 3 throw new NullPointerException(); 4 Comparator<? super K> cmp = comparator; // 比较器 5 outer: for (;;) { // 外层循环 6 for (Node<K, V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) { // n为当前结点，b是n的前驱结点，新结点是要插入到b和n之间的 7 if (n != null) { 8 Object v; // 指向当前结点的value 9 int c; // 比较key的结果 10 Node<K, V> f = n.next; // n的后继结点 11 if (n != b.next) // 如果数据不一致（有别的线程修改了其前驱结点的next域） 12 break; // 重新读取 13 if ((v = n.value) == null) { // 如果n被删除 14 n.helpDelete(b, f); // 去帮助删除，使其尽快结束 15 break; // 重新读取 16 } 17 if (b.value == null || v == n) // b结点被删除（其value为null，或其后继结点是marker结点） 18 break; 19 if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) > 0) { // key大于n结点的key值，因为要插入到当前结点的前面，所以不满足要求，需要右移 20 b = n; 21 n = f; // 右移 22 continue; // 继续 23 } 24 if (c == 0) { // 键相等，替换 25 if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value)) { 26 @SuppressWarnings("unchecked") 27 V vv = (V) v; 28 return vv; // 返回旧值 29 } 30 break; // CAS失败，有别的线程捣乱，重来 31 } 32 } 33 34 z = new Node<K, V>(key, value, n); // 构建新结点 35 if (!b.casNext(n, z)) 36 break; // CAS失败，有别的线程捣乱，重来 37 break outer; // 成功，则跳出外层循环 38 } 39 }
随机选取层（大于当前最大层，新增一层，同时更新顶层头索引head），构建纵向索引链
1 int rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed(); // 获取一个线程无关的随机数，int类型，32位 2 if ((rnd & 0x80000001) == 0) { // 最高位和最低位为1的情况下，除基础层新增结点外，各层均不再增索引 3 int level = 1, max; 4 while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0) // 低位（从第2位开始）连续为1的个数，作为选取层 5 ++level; 6 Index<K, V> idx = null; // 指向从顶层开始第一个需要调整的索引，一般是选择层level，如果level大于max，说明需要新增一层，而新增的那层（level层）不需要调整（head->HeadIndex）指向它就行，所以此时，idx指向level-1层新增的索引 7 HeadIndex<K, V> h = head; // 顶层头索引 8 if (level <= (max = h.level)) { // 如果选取的层没有超出最大层 9 for (int i = 1; i <= level; ++i) //构建一个从 1 层到 level层的纵纵向索引（Index）链 10 idx = new Index<K, V>(z, idx, null); // 此时，idx指向level层新增的索引 11 } else { // 如果选取层超过了最大层，则增加一层索引 12 level = max + 1; // 此时，level为老的最大层加1 13 @SuppressWarnings("unchecked") 14 Index<K, V>[] idxs = (Index<K, V>[]) new Index<?, ?>[level + 1]; // 用长度为level+1的数组，保存各层（1到level层，数组[0]未使用，为的是索引的层数与其所在数组的下标相等）新增索引的引用 15 for (int i = 1; i <= level; ++i) 16 idxs[i] = idx = new Index<K, V>(z, idx, null); // 每层新增索引保存在对应其层数的下标位置处，idx最后指向level层新增的索引 17 for (;;) { 18 h = head; // 再次获取顶层头索引 19 int oldLevel = h.level; // 获取老的最大层 20 if (level <= oldLevel) // 如果选取层又比oldLevel小了，说明，别的线程抢先更新过跳表了 21 break; // 跳出循环，idx最后指向level层的索引，同没有超出最大层的情况 22 HeadIndex<K, V> newh = h; 23 Node<K, V> oldbase = h.node; 24 for (int j = oldLevel + 1; j <= level; ++j) // 更新新增层纵向头索引，正常情况下只新增一层 25 newh = new HeadIndex<K, V>(oldbase, newh, idxs[j], j); // newh最后指向顶层头索引 26 if (casHead(h, newh)) { // CAS head(head始终指向顶层头索引) 27 h = newh; // h也指向顶层头索引 28 idx = idxs[level = oldLevel]; // idx指向老的顶层头索引 29 break; // 跳出循环 30 } 31 } 32 }
自选取层至底层，连接各层新增索引，完成跳表的构建
1 splice: for (int insertionLevel = level;;) { 2 int j = h.level; 3 for (Index<K, V> q = h, r = q.right, t = idx;;) { 4 if (q == null || t == null) // 头节点被删除，或者新增索引为空，直接跳出外层循环 5 break splice; 6 if (r != null) { 7 Node<K, V> n = r.node; // 获得右索引结点 8 int c = cpr(cmp, key, n.key); // 比较key 9 if (n.value == null) { // n（正在）被删除 10 if (!q.unlink(r)) // 解除r索引 11 break; // 如果失败，说明有别的线程干预，跳出内循环，重新获取level 12 r = q.right; // 获取新的右索引 13 continue; // 继续 14 } 15 if (c > 0) { // key大于n结点的key值，需要右移 16 q = r; 17 r = r.right; // 右移 18 continue; // 继续 19 } 20 } 21 22 if (j == insertionLevel) { 23 if (!q.link(r, t)) // 将t插在q和r之间 24 break; // 如果失败，跳出内循环，重试 25 if (t.node.value == null) { // t索引指向的结点被删除 26 findNode(key); // 清理删除的结点 27 break splice; // 跳出外层循环 28 } 29 if (--insertionLevel == 0) // 处理结束 30 break splice; // 跳出外层循环 31 } 32 33 if (--j >= insertionLevel && j < level) 34 t = t.down; // 处理下一层索引 35 q = q.down; // 同步更新 36 r = q.right; // 同步更新 37 } 38 }
doRemove(Object, Object)
1 final V doRemove(Object key, Object value) { 2 if (key == null) 3 throw new NullPointerException(); 4 Comparator<? super K> cmp = comparator; 5 outer: for (;;) { 6 for (Node<K, V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) { // 寻找key的前驱结点，若key在跳表中，结点n即是key在跳表的结点 7 Object v; 8 int c; 9 if (n == null) // n被删除，直接跳出外层循环 10 break outer; 11 Node<K, V> f = n.next; // n的后继结点 12 if (n != b.next) // 如果数据不一致（有别的线程修改了其前驱结点的next域） 13 break; // 重新读取 14 if ((v = n.value) == null) { // n被删除 15 n.helpDelete(b, f); // 帮助删除 16 break; // 重新检查 17 } 18 if (b.value == null || v == n) // b被删除（其value为null，或其后继结点是marker结点） 19 break; 20 if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) < 0) // key所对应的结点不存在，b < x(key) < n, b -> n 21 break outer; // 直接退出外层循环 22 if (c > 0) { // 要找的结点还在n后面，右移 23 b = n; 24 n = f; 25 continue; 26 } 27 if (value != null && !value.equals(v)) // 传入的value不等于结点的value值，说明别的线程已经修改过了，不予删除 28 break outer; 29 if (!n.casValue(v, null)) // CAS v -> null 30 break; // CAS失败，则重新来过 31 if (!n.appendMarker(f) || !b.casNext(n, f)) // 尝试在n结点后接marker结点，如果失败，则重试；若成功，则尝试CAS b结点的next域，失败，也重试 32 findNode(key); // 清理删除的结点 33 else { 34 findPredecessor(key, cmp); // 清理无用的索引 35 if (head.right == null) 36 tryReduceLevel(); // 并清除没有索引的层 37 } 38 @SuppressWarnings("unchecked") 39 V vv = (V) v; 40 return vv; 41 } 42 } 43 return null; 44 }
查找到要删除的结点后，首先CAS其value为null，失败重试，若成功后，继续在其后添加marker结点，接着CAS其前驱结点（b）的next为其后继结点（f），若都成功，则结束，否则， 调用findNode方法，该方法会遍历跳表，并帮助删除value为null的结点。
marker结点的作用是为了降低b结点的并发性，若是没有marker结点，那么所有的CAS压力全集中在了结点上，若是有marker结点，那么会首先对n结点（待删除结点）CAS，成功后，才去找b结点，否则，直接就调用findNode方法，以期清理待删除的结点。
doGet(Object)
1 private V doGet(Object key) { 2 if (key == null) 3 throw new NullPointerException(); 4 Comparator<? super K> cmp = comparator; 5 outer: for (;;) { 6 for (Node<K, V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) { 7 Object v; 8 int c; 9 if (n == null) // n被删除，直接跳出 10 break outer; 11 Node<K, V> f = n.next; 12 if (n != b.next) // 如果数据不一致（有别的线程修改了其前驱结点的next域） 13 break; // 重新读取 14 if ((v = n.value) == null) { // n正在被删除 15 n.helpDelete(b, f); // 帮助删除 16 break; 17 } 18 if (b.value == null || v == n) // b已经被删除 19 break; 20 if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) == 0) { // 找到结点 21 @SuppressWarnings("unchecked") 22 V vv = (V) v; 23 return vv; 24 } 25 if (c < 0) // key所对应的结点不存在，b < x(key) < n, b -> n 26 break outer; 27 b = n; // 右移，继续 28 n = f; 29 } 30 } 31 return null; 32 }
for (;;) {
for (;next;)
if(!cas){
break;
}
}
findFirst()
1 final Node<K, V> findFirst() { 2 for (Node<K, V> b, n;;) { 3 if ((n = (b = head.node).next) == null) // 头结点不是数据结点，所以要从第二个开始，如果为空，返回null 4 return null; 5 if (n.value != null) // 结点（第二个结点，第一个数据结点）没被删除，返回此结点 6 return n; 7 n.helpDelete(b, n.next); // 否则，清理已经删除结点，继续往后找 8 } 9 }
findPredecessor(Object, Comparator<? super K>)
1 private Node<K, V> findPredecessor(Object key, Comparator<? super K> cmp) { 2 if (key == null) 3 throw new NullPointerException(); 4 for (;;) { 5 for (Index<K, V> q = head, r = q.right, d;;) { // 自顶层头索引开始查找 6 if (r != null) { 7 Node<K, V> n = r.node; 8 K k = n.key; 9 if (n.value == null) { // 正在被删除 10 if (!q.unlink(r)) // 清除r索引 11 break; // 失败重来 12 r = q.right; // 重新读取r 13 continue; // 继续 14 } 15 if (cpr(cmp, key, k) > 0) { // key比结点的k大，需要往后查找 16 q = r; 17 r = r.right; // 右移 18 continue; // 继续 19 } 20 } 21 if ((d = q.down) == null) // 最底层索引，再往下是基础层（结点层） 22 return q.node; 23 q = d; // 继续右下查找 24 r = d.right; 25 } 26 } 27 }
查找前驱结点
findNode(Object)
1 private Node<K, V> findNode(Object key) { 2 if (key == null) 3 throw new NullPointerException(); 4 Comparator<? super K> cmp = comparator; 5 outer: for (;;) { 6 for (Node<K, V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) { // b为key的前驱结点，n应该为key在跳表中的结点 7 Object v; 8 int c; 9 if (n == null) // n被删除，直接跳出 10 break outer; 11 Node<K, V> f = n.next; 12 if (n != b.next) // 如果数据不一致（有别的线程修改了其前驱结点的next域） 13 break; // 重新读取 14 if ((v = n.value) == null) { // n正在被删除 15 n.helpDelete(b, f); // 帮助删除 16 break; // 重新来过 17 } 18 if (b.value == null || v == n) // b已经被删除 19 break; // 重新来攻 20 if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) == 0) // 找到结点 21 return n; // 返回 22 if (c < 0) // key所对应的结点不存在，b < x(key) < n, b -> n 23 break outer; // 退出外层循环 24 b = n; // 右移，继续 25 n = f; 26 } 27 } 28 return null; 29 }
查找结点
tryReduceLevel()
1 private void tryReduceLevel() { 2 HeadIndex<K, V> h = head; 3 HeadIndex<K, V> d; 4 HeadIndex<K, V> e; 5 if (h.level > 3 // 层级大于3才考虑缩减层级 6 && (d = (HeadIndex<K, V>) h.down) != null // h是顶层，d是自顶层起第二层 7 && (e = (HeadIndex<K, V>) d.down) != null // e是第三层 8 && e.right == null 9 && d.right == null 10 && h.right == null // h, d, e三层索引均为空 11 && casHead(h, d) // 设置顶层头索引为d，即第二层 12 && h.right != null) // 如果h层又有了索引 13 casHead(d, h); // 需要将顶层头索引再设置回来 14 }
从上往下连着三层为空，才尝试将顶层缩减掉，中途如果发现顶层又有索引了，还得把顶层加回来。
buildFromSorted(SortedMap<K, ? extends V>)
1 private void buildFromSorted(SortedMap<K, ? extends V> map) { 2 if (map == null) 3 throw new NullPointerException(); 4 5 HeadIndex<K, V> h = head; 6 Node<K, V> basepred = h.node; 7 8 ArrayList<Index<K, V>> preds = new ArrayList<Index<K, V>>(); // 保存各层的索引，每层最右边的索引 9 10 for (int i = 0; i <= h.level; ++i) 11 preds.add(null); 12 Index<K, V> q = h; 13 for (int i = h.level; i > 0; --i) { // 初始是各层头索引 14 preds.set(i, q); 15 q = q.down; 16 } 17 18 Iterator<? extends Map.Entry<? extends K, ? extends V>> it = map.entrySet().iterator(); 19 while (it.hasNext()) { // 根据传入的map的元素顺序依次添加 20 Map.Entry<? extends K, ? extends V> e = it.next(); 21 int rnd = ThreadLocalRandom.current().nextInt(); 22 int j = 0; 23 if ((rnd & 0x80000001) == 0) { // 同doPut方法 24 do { 25 ++j; 26 } while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0); 27 if (j > h.level) 28 j = h.level + 1; 29 } 30 K k = e.getKey(); 31 V v = e.getValue(); 32 if (k == null || v == null) 33 throw new NullPointerException(); 34 Node<K, V> z = new Node<K, V>(k, v, null); 35 basepred.next = z; 36 basepred = z; 37 if (j > 0) { 38 Index<K, V> idx = null; 39 for (int i = 1; i <= j; ++i) { 40 idx = new Index<K, V>(z, idx, null); 41 if (i > h.level) 42 h = new HeadIndex<K, V>(h.node, h, idx, i); 43 44 if (i < preds.size()) { 45 preds.get(i).right = idx; // 添加新索引 46 preds.set(i, idx); // 只保存最右边的索引 47 } else 48 preds.add(idx); 49 } 50 } 51 } 52 head = h; 53 }
根据传入的map的元素顺序，依次添加到跳表里，使用List保存各层索引（最右边），批量处理索引关系，由于只在构造方法或clone方法里调用，一来很难有并发问题，而来，初始时跳表应该为空，批量添加更合适。
行文至此结束。
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