学习ConcurrentHashMap1.7分段锁原理
1. 概述
接上一篇 学习 ConcurrentHashMap1.8 并发写机制, 本文主要学习 Segment分段锁 的实现原理。
虽然 JDK1.7 在生产环境已逐渐被 JDK1.8 替代，然而一些好的思想还是需要进行学习的。比方说位图中寻找 bit 位的思路是不是和 ConcurrentHashMap1.7 有点相似？
接下来，本文基于 OpenJDK7 来做源码解析。
2. ConcurrentHashMap1.7 初认识
ConcurrentHashMap 中 put()是线程安全的。但是很多时候, 由于业务需求, 需要先 get() 操作再 put() 操作，这 2 个操作无法保证原子性，这样就会产生线程安全问题了。大家在开发中一定要注意。
ConcurrentHashMap 的结构示意图如下:
在进行数据的定位时，会首先找到 segment, 然后在 segment 中定位 bucket。如果多线程操作同一个 segment, 就会触发 segment 的锁 ReentrantLock, 这就是分段锁的基本实现原理。
3. 源码分析
3.1 HashEntry
HashEntry 是 ConcurrentHashMap 的基础单元(节点)，是实际数据的载体。
static final class HashEntry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;
HashEntry(int hash, K key, V value, HashEntry<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}
/**
* Sets next field with volatile write semantics. (See above
* about use of putOrderedObject.)
*/
final void setNext(HashEntry<K,V> n) {
UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, n);
}
// Unsafe mechanics
static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
static final long nextOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class k = HashEntry.class;
nextOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
(k.getDeclaredField("next"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
}
3.2 Segment
Segment 继承 ReentrantLock 锁,用于存放数组 HashEntry[]。在这里可以看出, 无论 1.7 还是 1.8 版本, ConcurrentHashMap 底层并不是对 HashMap 的扩展, 而是同样从底层基于数组+链表进行功能实现。
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;
static final int MAX_SCAN_RETRIES =
Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ? 64 : 1;
// 数据节点存储在这里(基础单元是数组)
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
transient int count;
transient int modCount;
transient int threshold;
final float loadFactor;
Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {
this.loadFactor = lf;
this.threshold = threshold;
this.table = tab;
}
// 具体方法不在这里讨论...
}
3.3 构造方法
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 对于concurrencyLevel的理解, 可以理解为segments数组的长度，即理论上多线程并发数(分段锁), 默认16
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// Find power-of-two sizes best matching arguments
int sshift = 0;
int ssize = 1;
// 默认concurrencyLevel = 16, 所以ssize在默认情况下也是16,此时 sshift = 4
// ssize = 2^sshift 即 ssize = 1 << sshift
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
// 段偏移量，32是因为hash是int值，int值32位，默认值情况下此时segmentShift = 28
this.segmentShift = 32 - sshift;
// 散列算法的掩码，默认值情况下segmentMask = 15, 定位segment的时候需要根据segment[]长度取模, 即hash(key)&(ssize - 1)
this.segmentMask = ssize - 1;
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// 计算每个segment中table的容量, 初始容量=16, 并发数=16, 则segment中的Entry[]长度为1。
int c = initialCapacity / ssize;
// 处理无法整除的情况，取上限
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
// MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY默认时2，cap是2的n次方
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
// 创建segments并初始化第一个segment数组,其余的segment延迟初始化
Segment<K,V> s0 =
new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
(HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
// 默认并发数=16
Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
this.segments = ss;
}
由图和源码可知，当用默认构造函数时，最大并发数是 16，即最大允许 16 个线程同步写操作，且无法扩展。所以如果我们的场景数据量比较大时，应该设置合适的并发数，避免频繁锁冲突。
3.4 put()操作
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
// 根据key的hash再次进行hash运算
int hash = hash(key.hashCode());
// 基于hash定位segment数组的索引。
// hash值是int值，32bits。segmentShift=28，无符号右移28位，剩下高4位，其余补0。
// segmentMask=15，二进制低4位全部是1，所以j相当于hash右移后的低4位。
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
// 找到对应segment
s = ensureSegment(j);
// 将新节点插入segment中
return s.put(key, hash, value, false);
}
找出对应 segment，如果不存在就创建并初始化
@SuppressWarnings("unchecked")
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
// 当前的segments数组
final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
// 计算原始偏移量,在segments数组的位置
long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
Segment<K,V> seg;
// 判断没有被初始化
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
// 获取第一个segment ss[0]作为原型
Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
int cap = proto.table.length; // 容量
float lf = proto.loadFactor; // 负载因子
int threshold = (int)(cap * lf); // 阈值
// 初始化ss[k] 内部的tab数组 // recheck
HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
// 再次检查这个ss[k] 有没有被初始化
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) { // recheck
Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
// 自旋。getObjectVolatile 保证了读的可见性,所以一旦有一个线程初始化了,那么就结束自旋
while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
break;
}
}
}
return seg;
}
3.5 segment 插入节点
上一步找到 segment 位置后计算节点在 segment 中的位置。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 是否获取锁,失败自旋获取锁(直到成功)
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value); // 失败了才会scanAndLockForPut
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
// 获取到bucket位置的第一个节点
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
// hash冲突
if (e != null) {
K k;
// key相等则覆盖
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
// 不相等则遍历链表
e = e.next;
}
else {
if (node != null)
// 将新节点插入链表作为表头
node.setNext(first);
else
// 创建新节点并插入表头
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
// 判断元素个数是否超过了阈值或者segment中数组的长度超过了MAXIMUM_CAPACITY，如果满足条件则rehash扩容！
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
// 扩容
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
// 解锁
unlock();
}
return oldValue;
}
如果加锁失败则先走 scanAndLockForPut() 方法。
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
// 根据hash获取头结点
HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
HashEntry<K,V> e = first;
HashEntry<K,V> node = null;
int retries = -1; // negative while locating node
// 尝试获取锁,成功就返回,失败就开始自旋
while (!tryLock()) {
HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
if (retries < 0) {
// 如果头结点不存在
if (e == null) {
if (node == null) // speculatively create node
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
retries = 0;
}
// 和头结点key相等
else if (key.equals(e.key))
retries = 0;
else
// 下一个节点 直到为null
e = e.next;
}
// 达到自旋的最大次数
else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
// lock()是阻塞方法。进入加锁方法,失败进入队列,阻塞当前线程
lock();
break;
}
// TODO (retries & 1) == 0 没理解
else if ((retries & 1) == 0 &&
(f = entryForHash(this, hash)) != first) {
// 头结点变化,需要重新遍历,说明有新的节点加入或者移除
e = first = f; // re-traverse if entry changed
retries = -1;
}
}
return node;
}
(retries & 1) == 0 没理解是在做什么，有小伙伴看明白了请赐教。
最后
本文到此结束，主要是学习分段锁是如何工作的。谢谢大家的观看。
