併發程式設計-ConcurrentHashMap（一）（剖析CHM原始碼、設計思想、資料結構）

本篇來聊聊1.8的ConcurrentHashMap（CHS），關於它的一些設計思想（高低位擴容、分段鎖、紅黑樹、連結串列 so on），資料結構，和原始碼試實現行剖析，本篇會講到前面的一部分程式碼分析，包括（延遲初始化、閾值判斷擴容、以及高低位擴容）

為什麼使用CHS

【HashMap】是非執行緒安全的，有時候因為沒有給使用【HashMap】的程式碼段加同步鎖，在1.7的時候居然導致了死鎖，。那我們就使用【Hashtable】，他是可以保證執行緒安全，但是他只是粗暴的加上了synchronized關鍵字，這樣鎖的粒度太粗

（效能很低） 。所以當多執行緒場景下CHS就應運而生。

CHS的使用

平常的新增，刪除等一些操作這裡我們不再繼續瞭解，咱們瞭解一下在1.8後加的一些新的方法【computeIfAbsent】【computeIfPresent】【computeIfPresent】【compute】【merge】我這裡分別寫了個例子，所以不再贅述

CHS儲存和實現

總體來說，他是基於一個數組進行資料的儲存，陣列中的每個元素都叫做一個節點，並且分為兩種方式，

【連結串列】：是用來解決雜湊衝突的，我們在說threadlocal的時候說到過，用的是線性探索進行解決的

【紅黑樹】：用來解決連結串列過於長，帶來的時間複雜度增加的問題

，紅黑樹使得時間複雜度從【O(n)->O(logn)】

！！！node長度超過64的時候，連結串列長度超過8的時候，則進行紅黑樹的轉換，當做擴容的時候，紅黑樹會轉換成節點，因為當擴容的時候，資料會進行拉伸，伴隨著，資料結構無法達到紅黑樹的條件，從而轉變

總體視角：

• 當我們put一個數據的時候，首先會用你put的key的雜湊值計算一個數組下標
• 如果我們put key的雜湊數值一樣的話,則加入此節點的下面，就變成了一個單項列表。

CHS原始碼分析

我們發現，在new一個chs的時候沒並沒有建立一個新的物件，建立物件和賦值的操作都在put方法中實現的，這就是【延遲初始化】

final
 
 V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
    //使用你傳進來的key去計算一個hash值，後面要用這個計算下標
    int hash = spread(key.hashCode());
    int binCount = 0;
    //這裡是個自旋，因為是多執行緒裡面肯定牽扯到cas的操作，那cas可能會失敗，失敗之後肯定要重新把這個數值傳進來，所以使用自旋
    for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
        Node<K,V> f; int n, i, fh;
        //如果table為空則去初始化一個Node<K,V>[] table 這是儲存的容器;
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
            tab = initTable();
        //    (n - 1) & hash這裡用換算出來的hash值去計算一個下標
        else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
            //如果當前的算出來的下標處沒有資料則建立一個node並且儲存資料，這裡還是通過cas保障資料安全
            if (casTabAt(tab, i, null,
                         new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                break;                   
        }
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)
            tab = helpTransfer(tab, f);
        //當前位置如果儲存資料，則走這裡的邏輯
        else {
            V oldVal = null;
            //鎖住當前的node節點避免執行緒安全問題，這裡的鎖的粒度很細，因為只是鎖住當前的node，意味著其他的節點，都可以在這個時候同時插入資料，這樣就提升了效能
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    //這裡是針對連結串列的操作
                    if (fh >= 0) {
                        binCount = 1;
                        //f代表的是當前node的頭結點，拿到頭節點開始向下遍歷，binCount實際上是在統計連結串列的長度
                        for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                            K ek;
                            //判斷是否存在相同的key，如果存在則進行覆蓋（相同的key後者會覆蓋前者）
                            if (e.hash == hash &&
                                ((ek = e.key) == key ||
                                 (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                oldVal = e.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    e.val = value;
                                break;
                            }
                            //如果不存在則把當前的key和value新增到連結串列中，這裡使用的是尾插法（ = e.next），直接新增到尾部
                            Node<K,V> pred = e;
                            if ((e = e.next) == null) {
                                pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                          value, null);
                                break;
                            }
                        }
                    }
                    //這裡是針對紅黑樹的操作
                    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) {
                //如果連結串列長度大於等於8，則會根據閾值判斷是轉化為紅黑樹還是擴容
                if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                    treeifyBin(tab, i);
                if (oldVal != null) 
                    return oldVal;
                break;
            }
        }
    }
    addCount(1L, binCount);
    return null;
}

initTable（這是進行容器初始化的操作，因為是多執行緒情況下，所以要加鎖，這是使用CAS充當了鎖）這裡的【sizeCtl】等於是一個狀態機，去標識當前陣列擴容的狀態

private final Node<K,V>[] initTable() {
    Node<K,V>[] tab; int sc;
    //只要容器沒有初始化就不斷進行初始化
    while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
        if ((sc = sizeCtl) < 0)
            Thread.yield(); 
        //因為是多執行緒，所以這裡使用cas保證原子性
        else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
            try {
                if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                    //這裡的預設長度是16
                    int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                    @SuppressWarnings("unchecked")
                    Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                    table = tab = nt;
                    //這裡保留擴容的閾值（當陣列長度到達擴容的閾值的時候，就進行擴容）
                    sc = n - (n >>> 2);
                }
            } finally {
                sizeCtl = sc;
            }
            break;
        }
    }
    return tab;
}

treeifyBin（這裡根據閾值判斷，是轉換紅黑樹，還是擴容，前面說了陣列長度到達64的時候才會轉換為紅黑樹）

private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
    Node<K,V> b; int n, sc;
    if (tab != null) {
        //如果table長度小於64則進行擴容，否則進行紅黑樹的轉換
        if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            //進行擴容
            tryPresize(n << 1);
        else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
            //進行紅黑樹的轉換
            synchronized (b) {
                if (tabAt(tab, index) == b) {
                    TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
                    for (Node<K,V> e = b; e != null; e = e.next) {
                        TreeNode<K,V> p =
                            new TreeNode<K,V>(e.hash, e.key, e.val,
                                              null, null);
                        if ((p.prev = tl) == null)
                            hd = p;
                        else
                            tl.next = p;
                        tl = p;
                    }
                    setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
                }
            }
        }
    }
}

tryPresize（對陣列進行擴容）：這裡牽扯到一個【多執行緒併發擴容】，簡而言之，就是允許多個執行緒對陣列協助擴容，

擴容的本質：

• 每次把陣列的長度擴大到原來的一倍
• 然後把老的資料遷移到新的陣列

private final void tryPresize(int size) {
    //用於判斷擴容的目標大小
    int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
        tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);//這裡就是為了滿足2m³，如果是15那就給你轉化成16（轉換成最近的2m³）
    int sc;
    //說明要做陣列的初始化，因為這個方法在別的地方也有使用，所以要進行判斷
    while ((sc = sizeCtl) >= 0) {
        Node<K,V>[] tab = table; int n;
        //這裡進行陣列的初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
            //這裡陣列容量是通過對比的計算出來的，初始容量(我們可以自定義chm的大小)和擴容容量，誰的數字大就選擇誰作為陣列的預設長度
            n = (sc > c) ? sc : c;
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if (table == tab) {
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                        table = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
            }
        }
        //已經是最大的容量，則不進行擴容了，直接返回
        else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
            break;
        else if (tab == table) {
            //這裡生成一個擴容戳，這是為了保證當前擴容範圍的唯一性（使用多執行緒來執行分段擴容），我們在下面聊聊這個東西，他挺有意思的

            int rs = resizeStamp(n);
            //第一次擴容的時候，不會走這一段邏輯,因為sc不小於1
            if (sc < 0) {
                Node<K,V>[] nt;
                //表示擴容結束
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;
                //表示沒有結束，所以每次增加一個執行緒進行擴容，則在【低位】加一，當擴容結束後低位就開始遞減，證明執行緒一個個開始釋放，最終低位全部都是0，則說明擴容完畢
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
　　　　　　　　　　　　//這裡實現陣列的資料轉移
                    transfer(tab, nt);
            }
　　　　　　　　//第一次走這個邏輯，他會把我們上面算出的rs左移16位 就會變成(換算的結果看下面的resizeStamp分析)-> 1000 0000 0001 1011 0000 0000 0000 0000
　　　　　　　　//算出來的戳的 【高16位】標識當前的額擴容標記,【低16位】標識當前擴容的執行緒數量
　　　　　　　　//然後對換算出來的結果加2 （2的二進位制是10） 
　　　　　　　　//於是就變成了 1000 000 0001 1011 0000 0000 0000 0010 （上面講高位標識擴容標記，低位表示擴容的執行緒數量，那這裡就是一個執行緒在參加擴容）
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
                                         (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                transfer(tab, null);
        }
    }
}

因為是多執行緒共同參與資料的遷移，那我肯定要有一個地方記錄參與這個任務的執行緒數量

【numberOfLeadingZeros】:這個方法會【返回這個資料的二進位制串中從最左邊算起連續的“0”的總數量】，

• • • 例如 一個int型別的長度是32 【0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000】 現在在17位這裡有一個1，那就在前面有16個0這個時候這個方法就會返回16 【0000 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

static final int resizeStamp(int n) {
　　//把前面計算出來的二進位制的第16位變成1，比如說現在key計算出來的是16 那轉換出來的二進位制就是10000 因為int是32位所以給他前面補充0就變成了
　　//0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0000 ->那他最高位數前面的數字就有27個0就返回27
　　// 27換算出來的二進位制是 【11011】 給前面補充0之後就變成了 0000 0000 0000 0000 0000 0000 000 1 1011
　// 給他的第16位變成1那就變成->0000 0000 0000 0000 1000 0000 0001 1011

　　return Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1));
}