ConcurrentHashMap底层实现原理(JDK1.8)源码分析

ConcurrentHashMap数据结构

　　ConcurrentHashMap相比HashMap而言，是多线程安全的，其底层数据与HashMap的数据结构相同，数据结构如下:

　　

　　说明：ConcurrentHashMap的数据结构（数组+链表+红黑树），桶中的结构可能是链表，也可能是红黑树，红黑树是为了提高查找效率。

ConcurrentHashMap源码分析

　　1、类的继承关系　

public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {}

　　说明：ConcurrentHashMap继承了AbstractMap抽象类，该抽象类定义了一些基本操作，同时，也实现了ConcurrentMap接口，ConcurrentMap接口也定义了一系列操作，实现了Serializable接口表示ConcurrentHashMap可以被序列化。

　　2、类的内部类

　　ConcurrentHashMap包含了很多内部类，其中主要的内部类框架图如下图所示：

　　

　　

　　说明：可以看到，ConcurrentHashMap的内部类非常的庞大，第二个图是在JDK1.8下增加的类，下面对其中主要的内部类进行分析和讲解。

 　　1. Node类

　　Node类主要用于存储具体键值对，其子类有ForwardingNode、ReservationNode、TreeNode和TreeBin四个子类。四个子类具体的代码在之后的具体例子中进行分析讲解。

　　2. Traverser类

　　Traverser类主要用于遍历操作，其子类有BaseIterator、KeySpliterator、ValueSpliterator、EntrySpliterator四个类，BaseIterator用于遍历操作。KeySplitertor、ValueSpliterator、EntrySpliterator则用于键、值、键值对的划分。

　　3. CollectionView类

　　CollectionView抽象类主要定义了视图操作，其子类KeySetView、ValueSetView、EntrySetView分别表示键视图、值视图、键值对视图。对视图均可以进行操作。

　　4. Segment类

　　Segment类在JDK1.8中与之前的版本的JDK作用存在很大的差别，JDK1.8下，其在普通的ConcurrentHashMap操作中已经没有失效，其在序列化与反序列化的时候会发挥作用。

　　5. CounterCell

　　CounterCell类主要用于对baseCount的计数。

　　3 、类的属性

public class ConcurrentHashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements ConcurrentMap<K,V>, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 7249069246763182397L;
    // 表的最大容量
    private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
    // 默认表的大小
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
    // 最大数组大小
    static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    // 默认并发数
    private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
    // 装载因子
    private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;
    // 转化为红黑树的阈值
    static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
    // 由红黑树转化为链表的阈值
    static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
    // 转化为红黑树的表的最小容量
    static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
    // 每次进行转移的最小值
    private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;
    // 生成sizeCtl所使用的bit位数
    private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;
    // 进行扩容所允许的最大线程数
    private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1;
    // 记录sizeCtl中的大小所需要进行的偏移位数
    private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;    
    // 一系列的标识
    static final int MOVED     = -1; // hash for forwarding nodes
    static final int TREEBIN   = -2; // hash for roots of trees
    static final int RESERVED  = -3; // hash for transient reservations
    static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; // usable bits of normal node hash
    // 
    /** Number of CPUS, to place bounds on some sizings */
    // 获取可用的CPU个数
    static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
    // 
    /** For serialization compatibility. */
    // 进行序列化的属性
    private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields = {
        new ObjectStreamField("segments", Segment[].class),
        new ObjectStreamField("segmentMask", Integer.TYPE),
        new ObjectStreamField("segmentShift", Integer.TYPE)
    };
    
    // 表
    transient volatile Node<K,V>[] table;
    // 下一个表
    private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
    //
    /**
     * Base counter value, used mainly when there is no contention,
     * but also as a fallback during table initialization
     * races. Updated via CAS.
     */
    // 基本计数
    private transient volatile long baseCount;
    //
    /**
     * Table initialization and resizing control.  When negative, the
     * table is being initialized or resized: -1 for initialization,
     * else -(1 + the number of active resizing threads).  Otherwise,
     * when table is null, holds the initial table size to use upon
     * creation, or 0 for default. After initialization, holds the
     * next element count value upon which to resize the table.
     */
    // 对表初始化和扩容控制
    private transient volatile int sizeCtl;
    
    /**
     * The next table index (plus one) to split while resizing.
     */
    // 扩容下另一个表的索引
    private transient volatile int transferIndex;

    /**
     * Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating CounterCells.
     */
    // 旋转锁
    private transient volatile int cellsBusy;

    /**
     * Table of counter cells. When non-null, size is a power of 2.
     */
    // counterCell表
    private transient volatile CounterCell[] counterCells;

    // views
    // 视图
    private transient KeySetView<K,V> keySet;
    private transient ValuesView<K,V> values;
    private transient EntrySetView<K,V> entrySet;
    
    // Unsafe mechanics
    private static final sun.misc.Unsafe U;
    private static final long SIZECTL;
    private static final long TRANSFERINDEX;
    private static final long BASECOUNT;
    private static final long CELLSBUSY;
    private static final long CELLVALUE;
    private static final long ABASE;
    private static final int ASHIFT;

    static {
        try {
            U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            Class<?> k = ConcurrentHashMap.class;
            SIZECTL = U.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("sizeCtl"));
            TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("transferIndex"));
            BASECOUNT = U.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("baseCount"));
            CELLSBUSY = U.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("cellsBusy"));
            Class<?> ck = CounterCell.class;
            CELLVALUE = U.objectFieldOffset
                (ck.getDeclaredField("value"));
            Class<?> ak = Node[].class;
            ABASE = U.arrayBaseOffset(ak);
            int scale = U.arrayIndexScale(ak);
            if ((scale & (scale - 1)) != 0)
                throw new Error("data type scale not a power of two");
            ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
}

 　　说明：ConcurrentHashMap的属性很多，其中不少属性在HashMap中就已经介绍过，而对于ConcurrentHashMap而言，添加了Unsafe实例，主要用于反射获取对象相应的字段。

 　　4 、类的构造函数

 　　1. ConcurrentHashMap()型构造函数　

public ConcurrentHashMap() {}

 　　说明：该构造函数用于创建一个带有默认初始容量 (16)、加载因子 (0.75) 和 concurrencyLevel (16) 的新的空映射。

 　　2. ConcurrentHashMap(int)型构造函数

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {

        if (initialCapacity < 0) // 初始容量小于0，抛出异常
            throw new IllegalArgumentException();
        int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
                   MAXIMUM_CAPACITY :
                   tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1)); // 找到最接近该容量的2的幂次方数
        // 初始化
        this.sizeCtl = cap;
    }