ConcurrentHashMap源码理解

1.ConcurrentHashMap继承关系

ConcurrentHashMap继承了AbstractMap类，同时实现了ConcurrentMap接口。

2.ConcurrentHashMap构造函数

    public ConcurrentHashMap() {
    }

    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
                   MAXIMUM_CAPACITY :
                   tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
        this.sizeCtl = cap;
    }

    public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
        putAll(m);
    }

    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        this(initialCapacity, loadFactor, 1);
    }

    public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                             float loadFactor, int concurrencyLevel) {
        if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        if (initialCapacity < concurrencyLevel)   // Use at least as many bins
            initialCapacity = concurrencyLevel;   // as estimated threads
        long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
        int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
            MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
        this.sizeCtl = cap;
    }

ConcurrentHashMap()：这个没什么好说的，无参构造函数一切都是使用默认值。

ConcurrentHashMap(int)：int指定了实例可以承载的数据容量，如果容量大于允许最大容量的一半，直接初始化为最大容量。否则的话，会先计算数组长度(为容量的1.5倍加1)，然后再同hashmap一样，计算大于数组长度的最小的2的幂次方作为数组长度。

ConcurrentHashMap(int,float)：内部实际调用了ConcurrentHashMap(int,float,int)，最后一个参数填1。

ConcurrentHashMap(int,float,int)：参数依次指定了实例可以承载的数据容量initialCapacity，负载因子loadFactor，同步等级concurrencyLevel。初始容量不能小于同步等级，如果小于，则令其等于同步等级的数值。然后用初始容量除以负载因子，获取数组大小，再求出最小的2的幂次方。

ConcurrentHashMap(Map)：参数使用默认的参数，同时调用putAll(Map)方法。

3.ConcurrentHashMap添加元素

3.1添加元素核心类

    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                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;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            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) {
                            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;
    }

    private final Node<K,V>[] initTable() {
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                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;
    }

源码解析：

　　1.在concurrentHashMap中要求key和value都不能为空，否则会抛出NPE。

if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();

　　2.计算key新的hash值

int hash = spread(key.hashCode());

    static final int spread(int h) {
        return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
    }

　　3.循环实例中存放元素的table，如果table没有初始化，则进行初始化

        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            Node<K,V> f; int n, i, fh;
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                tab = initTable();

　　首先注意这里的for，它的里面是一个无限循环，也就是说会一直循环下去，直到遇见break。

　　初始化table，这里使用了乐观锁U.compareAndSwapInt()方法，有且只有一个线程t能够将SIZECTL设置为-1，此时其他的所有线程都会进入Thread.yield()让出cpu进行循环等待。当t线程执行完最后一行后，对sizeCtl进行了赋值，此时其他的线程会判断tab!=null，且tab.length!=0，因此也会跳出循环，返回已经被t线程创建好的table。

　　线程t通过乐观锁，执行初始化table的逻辑，如果实例没有被赋予初始化容量，则使用默认的初始化容量16来作为数组长度创建数组。然后执行sc=n-(n>>>2)，实际令sc=0.75sc，求出了在默认0.75f的负载因子下可存储数据数量。最后返回创建的数组node[16]。

    private final Node<K,V>[] initTable() {
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                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;
    }

　　4.利用tabAt()方法获取数组上对应hash值位置上的值，如果为空，则调用casTabAt方法将新待添加的元素放置在该位置上。

而在tabAt()方法内部，是调用了getObjectVolatile(Node[], int)，直接从内存中读取数组中元素的准确值。

同时在casTabAt(Node[], int, Node, Node)中，利用乐观锁进行对空赋值。

        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                if (casTabAt(tab, i, null,
                             new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;                   // no lock when adding to empty bin
            }

    
    static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
        return (Node<K,V>)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
    }

    static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
                                        Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
        return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
    }

　　5.如果数组位置上已有值，判断这个值的hash值是否等于-1，等于则调用helpTransfer(node[],int)方法。

            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);

　　6.以上条件都判断后，确定数组元素的正常，通过synchronized获取锁，拿到锁之后，首先判断元素是否已经被其他线程改变了，如果改变了，重新执行for循环，获取新的元素，没有改变则判断元素是链表(hash值大于0)还是红黑树(instanceof TreeBin)。

　　(1)链表：从首节点开始遍历，如果找到有相等的key(hash值相等，key也相等)，则进行value值的替换，否则创建一个新的节点，添加在链表最后位置。

　　(2)红黑树：putTreeVal(int, K, V);

　　对元素处理完成后，释放锁，判断当前链表上添加的元素是否大于等于8，如果是，则将当前结构转为树结构。如果是替换了已有的节点，则返回旧值，执行到此结束。

           else {
                V oldVal = null;
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            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) {
                            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;
                }
            }

　　7.如果是新添加的节点，需要执行最后一步。addCount(long,int)方法

    private final void addCount(long x, int check) {
        CounterCell[] as; long b, s;
        if ((as = counterCells) != null ||
            !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
            CounterCell a; long v; int m;
            boolean uncontended = true;
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
                !(uncontended =
                  U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
                fullAddCount(x, uncontended);
                return;
            }
            if (check <= 1)
                return;
            s = sumCount();
        }
        if (check >= 0) {
            Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
            while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                   (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
                int rs = resizeStamp(n);
                if (sc < 0) {
                    if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                        sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                        transferIndex <= 0)
                        break;
                    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                        transfer(tab, nt);
                }
                else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                             (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                    transfer(tab, null);
                s = sumCount();
            }
        }
    }

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