你真的了解 ConcurrentHashMap 吗？
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· 2021-04-08
作者：Amaranth007
blog.csdn.net/qq_32828253/article/details/110450249
HashMap是线程不安，而hashTable虽然是线程安全，但是性能很差。java提供了ConcurrentHashMap来替代hashTable。
我们先来看一下JDK1.7的currentMap的结构：
在ConcurrentHashMap中有个重要的概念就是Segment。我们知道HashMap的结构是数组+链表形式，从图中我们可以看出其实每个segment就类似于一个HashMap。Segment包含一个HashEntry数组，数组中的每一个HashEntry既是一个键值对，也是一个链表的头节点。
在ConcurrentHashMap中有2的N次方个Segment，共同保存在一个名为segments的数组当中。可以说，ConcurrentHashMap是一个二级哈希表。在一个总的哈希表下面，有若干个子哈希表。
为什么说ConcurrentHashMap的性能要比HashTable好，HashTables是用全局同步锁，而CconurrentHashMap采用的是锁分段，每一个Segment就好比一个自治区，读写操作高度自治，Segment之间互不干扰。
先来看看几个并发的场景：
Case1:不同Segment的并发写入
不同Segment的写入是可以并发执行的。
Case2:同一Segment的一写一读
同一Segment的写和读是可以并发执行的。
Case3:同一Segment的并发写入
Segment的写入是需要上锁的，因此对同一Segment的并发写入会被阻塞。
由此可见，ConcurrentHashMap当中每个Segment各自持有一把锁。在保证线程安全的同时降低了锁的粒度，让并发操作效率更高。
上面我们说过，每个Segment就好比一个HashMap，其实里面的操作原理都差不多，只是Segment里面加了锁。
Get方法：
为输入的Key做Hash运算，得到hash值。 通过hash值，定位到对应的Segment对象 再次通过hash值，定位到Segment当中数组的具体位置。
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
(tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
e != null; e = e.next) {
K k;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
return e.value;
}
}
return null;
}
Put方法：
为输入的Key做Hash运算，得到hash值。 通过hash值，定位到对应的Segment对象 获取可重入锁 再次通过hash值，定位到Segment当中数组的具体位置。 插入或覆盖HashEntry对象。 释放锁。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
if (e != null) {
K k;
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
e = e.next;
}
else {
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
可以看出get方法并没有加锁，那怎么保证读取的正确性呢，这是应为value变量用了volatile来修饰，后面再详细讲解volatile。（搜索公众号：武哥聊编程，回复“面试题”，送你一份Java面试题宝典）
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;
}
.....
size方法
既然每一个Segment都各自加锁，那么我们在统计size()的时候怎么保证解决一直性的问题，比如我们在计算size时，有其他线程在添加或删除元素。
/**
* Returns the number of key-value mappings in this map. If the
* map contains more than <tt>Integer.MAX_VALUE</tt> elements, returns
* <tt>Integer.MAX_VALUE</tt>.
*
* @return the number of key-value mappings in this map
*/
public int size() {
// Try a few times to get accurate count. On failure due to
// continuous async changes in table, resort to locking.
final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
int size;
boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
long sum; // sum of modCounts
long last = 0L; // previous sum
int retries = -1; // first iteration isn't retry
try {
for (;;) {
if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
ensureSegment(j).lock(); // force creation
}
sum = 0L;
size = 0;
overflow = false;
for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
if (seg != null) {
sum += seg.modCount;
int c = seg.count;
if (c < 0 || (size += c) < 0)
overflow = true;
}
}
if (sum == last)
break;
last = sum;
}
} finally {
if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
segmentAt(segments, j).unlock();
}
}
return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}
ConcurrentHashMap的Size方法是一个嵌套循环，大体逻辑如下：
遍历所有的Segment。 把Segment的元素数量累加起来。 把Segment的修改次数累加起来。 判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。如果大于，说明统计过程中有修改，重新统计，尝试次数+1；如果不是。说明没有修改，统计结束。 如果尝试次数超过阈值，则对每一个Segment加锁，再重新统计。 再次判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。由于已经加锁，次数一定和上次相等。 释放锁，统计结束。
可以看出JDK1.7的size计算方式有点像乐观锁和悲观锁的方式，为了尽量不锁住所有Segment，首先乐观地假设Size过程中不会有修改。当尝试一定次数，才无奈转为悲观锁，锁住所有Segment保证强一致性。
JDK1.7和JDK1.8中ConcurrentHashMap的区别
1、在JDK1.8中ConcurrentHashMap的实现方式有了很大的改变，在JDK1.7中采用的是Segment + HashEntry，而Sement继承了ReentrantLock，所以自带锁功能，而在JDK1.8中则取消了Segment，作者认为Segment太过臃肿，采用Node + CAS + Synchronized
ps:Synchronized一直以来被各种吐槽性能差，但java一直没有放弃Synchronized，也一直在改进，既然作者在这里采用了Synchronized，可见Synchronized的性能应该是有所提升的，当然只是猜想哈哈哈。。。
2、在上篇HashMap中我们知道，在JDK1.8中当HashMap的链表个数超过8时，会转换为红黑树，在ConcurrentHashMap中也不例外。这也是新能的一个小小提升。
3、在JDK1.8版本中，对于size的计算，在扩容和addCount()时已经在处理了。JDK1.7是在调用时才去计算。
为了帮助统计size，ConcurrentHashMap提供了baseCount和counterCells两个辅助变量和CounterCell辅助类，1.8中使用一个volatile类型的变量baseCount记录元素的个数，当插入新数据或则删除数据时，会通过addCount()方法更新baseCount。
//ConcurrentHashMap中元素个数,但返回的不一定是当前Map的真实元素个数。基于CAS无锁更新
private transient volatile long baseCount;
private transient volatile CounterCell[] counterCells; // 部分元素变化的个数保存在此数组中
/**
* {@inheritDoc}
*/
public int size() {
long n = sumCount();
return ((n < 0L) ? 0 :
(n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
(int)n);
}
final long sumCount() {
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;
}
END
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