死磕 java集合之ConcurrentHashMap源码分析（三）
本章接着上两章，链接直达：
死磕 java集合之ConcurrentHashMap源码分析（一）
死磕 java集合之ConcurrentHashMap源码分析（二）
删除元素
删除元素跟添加元素一样，都是先找到元素所在的桶，然后采用分段锁的思想锁住整个桶，再进行操作。
public V remove(Object key) {
// 调用替换节点方法
return replaceNode(key, null, null);
}
final V replaceNode(Object key, V value, Object cv) {
// 计算hash
int hash = spread(key.hashCode());
// 自旋
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
(f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null)
// 如果目标key所在的桶不存在，跳出循环返回null
break;
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
// 如果正在扩容中，协助扩容
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
// 标记是否处理过
boolean validated = false;
synchronized (f) {
// 再次验证当前桶第一个元素是否被修改过
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
// fh>=0表示是链表节点
validated = true;
// 遍历链表寻找目标节点
for (Node<K,V> e = f, pred = null;;) {
K ek;
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
// 找到了目标节点
V ev = e.val;
// 检查目标节点旧value是否等于cv
if (cv == null || cv == ev ||
(ev != null && cv.equals(ev))) {
oldVal = ev;
if (value != null)
// 如果value不为空则替换旧值
e.val = value;
else if (pred != null)
// 如果前置节点不为空
// 删除当前节点
pred.next = e.next;
else
// 如果前置节点为空
// 说明是桶中第一个元素，删除之
setTabAt(tab, i, e.next);
}
break;
}
pred = e;
// 遍历到链表尾部还没找到元素，跳出循环
if ((e = e.next) == null)
break;
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {
// 如果是树节点
validated = true;
TreeBin<K,V> t = (TreeBin<K,V>)f;
TreeNode<K,V> r, p;
// 遍历树找到了目标节点
if ((r = t.root) != null &&
(p = r.findTreeNode(hash, key, null)) != null) {
V pv = p.val;
// 检查目标节点旧value是否等于cv
if (cv == null || cv == pv ||
(pv != null && cv.equals(pv))) {
oldVal = pv;
if (value != null)
// 如果value不为空则替换旧值
p.val = value;
else if (t.removeTreeNode(p))
// 如果value为空则删除元素
// 如果删除后树的元素个数较少则退化成链表
// t.removeTreeNode(p)这个方法返回true表示删除节点后树的元素个数较少
setTabAt(tab, i, untreeify(t.first));
}
}
}
}
}
// 如果处理过，不管有没有找到元素都返回
if (validated) {
// 如果找到了元素，返回其旧值
if (oldVal != null) {
// 如果要替换的值为空，元素个数减1
if (value == null)
addCount(-1L, -1);
return oldVal;
}
break;
}
}
}
// 没找到元素返回空
return null;
}
（1）计算hash；
（2）如果所在的桶不存在，表示没有找到目标元素，返回；
（3）如果正在扩容，则协助扩容完成后再进行删除操作；
（4）如果是以链表形式存储的，则遍历整个链表查找元素，找到之后再删除；
（5）如果是以树形式存储的，则遍历树查找元素，找到之后再删除；
（6）如果是以树形式存储的，删除元素之后树较小，则退化成链表；
（7）如果确实删除了元素，则整个map元素个数减1，并返回旧值；
（8）如果没有删除元素，则返回null；
获取元素
获取元素，根据目标key所在桶的第一个元素的不同采用不同的方式获取元素，关键点在于find()方法的重写。
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
// 计算hash
int h = spread(key.hashCode());
// 如果元素所在的桶存在且里面有元素
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
// 如果第一个元素就是要找的元素，直接返回
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0)
// hash小于0，说明是树或者正在扩容
// 使用find寻找元素，find的寻找方式依据Node的不同子类有不同的实现方式
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
// 遍历整个链表寻找元素
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
（1）hash到元素所在的桶；
（2）如果桶中第一个元素就是该找的元素，直接返回；
（3）如果是树或者正在迁移元素，则调用各自Node子类的find()方法寻找元素；
（4）如果是链表，遍历整个链表寻找元素；
（5）获取元素没有加锁；
获取元素个数
元素个数的存储也是采用分段的思想，获取元素个数时需要把所有段加起来。
public int size() {
// 调用sumCount()计算元素个数
long n = sumCount();
return ((n < 0L) ? 0 :
(n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
(int)n);
}
final long sumCount() {
// 计算CounterCell所有段及baseCount的数量之和
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;
}
（1）元素的个数依据不同的线程存在在不同的段里；（见addCounter()分析）
（2）计算CounterCell所有段及baseCount的数量之和；
（3）获取元素个数没有加锁；
总结
（1）ConcurrentHashMap是HashMap的线程安全版本；
（2）ConcurrentHashMap采用（数组 + 链表 + 红黑树）的结构存储元素；
（3）ConcurrentHashMap相比于同样线程安全的HashTable，效率要高很多；
（4）ConcurrentHashMap采用的锁有 synchronized，CAS，自旋锁，分段锁，volatile等；
（5）ConcurrentHashMap中没有threshold和loadFactor这两个字段，而是采用sizeCtl来控制；
（6）sizeCtl = -1，表示正在进行初始化；
（7）sizeCtl = 0，默认值，表示后续在真正初始化的时候使用默认容量；
（8）sizeCtl > 0，在初始化之前存储的是传入的容量，在初始化或扩容后存储的是下一次的扩容门槛；
（9）sizeCtl = (resizeStamp << 16) + (1 + nThreads)，表示正在进行扩容，高位存储扩容邮戳，低位存储扩容线程数加1；
（10）更新操作时如果正在进行扩容，当前线程协助扩容；
（11）更新操作会采用synchronized锁住当前桶的第一个元素，这是分段锁的思想；
（12）整个扩容过程都是通过CAS控制sizeCtl这个字段来进行的，这很关键；
（13）迁移完元素的桶会放置一个ForwardingNode节点，以标识该桶迁移完毕；
（14）元素个数的存储也是采用的分段思想，类似于LongAdder的实现；
（15）元素个数的更新会把不同的线程hash到不同的段上，减少资源争用；
（16）元素个数的更新如果还是出现多个线程同时更新一个段，则会扩容段（CounterCell）；
（17）获取元素个数是把所有的段（包括baseCount和CounterCell）相加起来得到的；
（18）查询操作是不会加锁的，所以ConcurrentHashMap不是强一致性的；
（19）ConcurrentHashMap中不能存储key或value为null的元素；
彩蛋——值得学习的技术
ConcurrentHashMap中有哪些值得学习的技术呢？
我认为有以下几点：
（1）CAS + 自旋，乐观锁的思想，减少线程上下文切换的时间；
（2）分段锁的思想，减少同一把锁争用带来的低效问题；
（3）CounterCell，分段存储元素个数，减少多线程同时更新一个字段带来的低效；
（4）@sun.misc.Contended（CounterCell上的注解），避免伪共享；（p.s.伪共享我们后面也会讲的^^）
（5）多线程协同进行扩容；
（6）你又学到了哪些呢？
彩蛋——不能解决的问题
ConcurrentHashMap不能解决什么问题呢？
请看下面的例子：
private static final Map<Integer, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
public void unsafeUpdate(Integer key, Integer value) {
Integer oldValue = map.get(key);
if (oldValue == null) {
map.put(key, value);
}
}
这里如果有多个线程同时调用unsafeUpdate()这个方法，ConcurrentHashMap还能保证线程安全吗？
答案是不能。因为get()之后if之前可能有其它线程已经put()了这个元素，这时候再put()就把那个线程put()的元素覆盖了。
那怎么修改呢？
答案也很简单，使用putIfAbsent()方法，它会保证元素不存在时才插入元素，如下：
public void safeUpdate(Integer key, Integer value) {
map.putIfAbsent(key, value);
}
那么，如果上面oldValue不是跟null比较，而是跟一个特定的值比如1进行比较怎么办？也就是下面这样：
public void unsafeUpdate(Integer key, Integer value) {
Integer oldValue = map.get(key);
if (oldValue == 1) {
map.put(key, value);
}
}
这样的话就没办法使用putIfAbsent()方法了。
其实，ConcurrentHashMap还提供了另一个方法叫replace(K key, V oldValue, V newValue)可以解决这个问题。
replace(K key, V oldValue, V newValue)这个方法可不能乱用，如果传入的newValue是null，则会删除元素。
public void safeUpdate(Integer key, Integer value) {
map.replace(key, 1, value);
}
那么，如果if之后不是简单的put()操作，而是还有其它业务操作，之后才是put()，比如下面这样，这该怎么办呢？
public void unsafeUpdate(Integer key, Integer value) {
Integer oldValue = map.get(key);
if (oldValue == 1) {
System.out.println(System.currentTimeMillis());
/**
* 其它业务操作
*/
System.out.println(System.currentTimeMillis());
map.put(key, value);
}
}
这时候就没办法使用ConcurrentHashMap提供的方法了，只能业务自己来保证线程安全了，比如下面这样：
public void safeUpdate(Integer key, Integer value) {
synchronized (map) {
Integer oldValue = map.get(key);
if (oldValue == null) {
System.out.println(System.currentTimeMillis());
/**
* 其它业务操作
*/
System.out.println(System.currentTimeMillis());
map.put(key, value);
}
}
}
这样虽然不太友好，但是最起码能保证业务逻辑是正确的。
当然，这里使用ConcurrentHashMap的意义也就不大了，可以换成普通的HashMap了。
上面只是举一个简单的例子，我们不能听说ConcurrentHashMap是线程安全的，就认为它无论什么情况下都是线程安全的，还是那句话尽信书不如无书。
这也正是我们读源码的目的之一，了解其本质，才能在我们的实际工作中少挖坑，不论是挖给别人还是挖给自己^^。
