ConcurrentHashMap之实现细节(转）

ConcurrentHashMap是Java 5中支持高并发、高吞吐量的线程安全HashMap实现。在这之前我对ConcurrentHashMap只有一些肤浅的理解，仅知道它采用了多个锁，大概也足够了。但是在经过一次惨痛的面试经历之后，我觉得必须深入研究它的实现。面试中被问到读是否要加锁，因为读写会发生冲突，我说必须要加锁，我和面试官也因此发生了冲突，结果可想而知。还是闲话少说，通过仔细阅读源代码，现在总算理解ConcurrentHashMap实现机制了，其实现之精巧，令人叹服，与大家共享之。

 

 

实现原理 

 

锁分离 (Lock Stripping)

 

ConcurrentHashMap允许多个修改操作并发进行，其关键在于使用了锁分离技术。它使用了多个锁来控制对hash表的不同部分进行的修改。ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的hash table，它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。

 

有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁。这里“按顺序”是很重要的，否则极有可能出现死锁，在ConcurrentHashMap内部，段数组是final的，并且其成员变量实际上也是final的，但是，仅仅是将数组声明为final的并不保证数组成员也是final的，这需要实现上的保证。这可以确保不会出现死锁，因为获得锁的顺序是固定的。不变性是多线程编程占有很重要的地位，下面还要谈到。

 

/**
 * The segments, each of which is a specialized hash table
 */
final Segment<K,V>[] segments;

 

 

不变(Immutable)和易变(Volatile)

 

ConcurrentHashMap完全允许多个读操作并发进行，读操作并不需要加锁。如果使用传统的技术，如HashMap中的实现，如果允许可以在hash链的中间添加或删除元素，读操作不加锁将得到不一致的数据。ConcurrentHashMap实现技术是保证HashEntry几乎是不可变的。HashEntry代表每个hash链中的一个节点，其结构如下所示：

 

static final class HashEntry<K,V> {
    final K key;
    final int hash;
    volatile V value;
    final HashEntry<K,V> next;
}

可以看到除了value不是final的，其它值都是final的，这意味着不能从hash链的中间或尾部添加或删除节点，因为这需要修改next引用值，所有的节点的修改只能从头部开始。对于put操作，可以一律添加到Hash链的头部。但是对于remove操作，可能需要从中间删除一个节点，这就需要将要删除节点的前面所有节点整个复制一遍，最后一个节点指向要删除结点的下一个结点。这在讲解删除操作时还会详述。为了确保读操作能够看到最新的值，将value设置成volatile，这避免了加锁。

 

其它

 

为了加快定位段以及段中hash槽的速度，每个段hash槽的的个数都是2^n，这使得通过位运算就可以定位段和段中hash槽的位置。当并发级别为默认值16时，也就是段的个数，hash值的高4位决定分配在哪个段中。但是我们也不要忘记《算法导论》给我们的教训：hash槽的的个数不应该是2^n，这可能导致hash槽分配不均，这需要对hash值重新再hash一次。（这段似乎有点多余了 ）

 

这是重新hash的算法，还比较复杂，我也懒得去理解了。

private static int hash(int h) {
    // Spread bits to regularize both segment and index locations,
    // using variant of single-word Wang/Jenkins hash.
    h += (h <<  15) ^ 0xffffcd7d;
    h ^= (h >>> 10);
    h += (h <<   3);
    h ^= (h >>>  6);
    h += (h <<   2) + (h << 14);
    return h ^ (h >>> 16);
}

 

这是定位段的方法：

final Segment<K,V> segmentFor(int hash) {
    return segments[(hash >>> segmentShift) & segmentMask];
}

 

 

 

数据结构

 

关于Hash表的基础数据结构，这里不想做过多的探讨。Hash表的一个很重要方面就是如何解决hash冲突，ConcurrentHashMap和HashMap使用相同的方式，都是将hash值相同的节点放在一个hash链中。与HashMap不同的是，ConcurrentHashMap使用多个子Hash表，也就是段(Segment)。下面是ConcurrentHashMap的数据成员：

 

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V>
        implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable {
    /**
     * Mask value for indexing into segments. The upper bits of a
     * key's hash code are used to choose the segment.
     */
    final int segmentMask;

    /**
     * Shift value for indexing within segments.
     */
    final int segmentShift;

    /**
     * The segments, each of which is a specialized hash table
     */
    final Segment<K,V>[] segments;
}

 

所有的成员都是final的，其中segmentMask和segmentShift主要是为了定位段，参见上面的segmentFor方法。

 

每个Segment相当于一个子Hash表，它的数据成员如下：

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V>
        implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable {
    /**
     * Mask value for indexing into segments. The upper bits of a
     * key's hash code are used to choose the segment.
     */
    final int segmentMask;

    /**
     * Shift value for indexing within segments.
     */
    final int segmentShift;

    /**
     * The segments, each of which is a specialized hash table
     */
    final Segment<K,V>[] segments;
}

 

所有的成员都是final的，其中segmentMask和segmentShift主要是为了定位段，参见上面的segmentFor方法。

 

每个Segment相当于一个子Hash表，它的数据成员如下：

 

    static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;
        /**
         * The number of elements in this segment's region.
         */
        transient volatile int count;

        /**
         * Number of updates that alter the size of the table. This is
         * used during bulk-read methods to make sure they see a
         * consistent snapshot: If modCounts change during a traversal
font-size: 12px; color: black; padding: 0px; margin: 0px;

  


  
    
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      【转】如何判断链表是有环的
    
  
  
    
      2011-05-26 10:36
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      分类:编程语言      
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