## 25 经典并发容器，多线程面试必备—深入解析ConcurrentHashMap下
> 青年是学习智慧的时期，中年是付诸实践的时期。
> —— 卢梭
通过上一节的学习，我们了解了 ConcurrentHashMap 的核心 hash 算法实现。本节我们将继续学习 put 相关的几个方法以及 get 方法。
上节提到对哈希表的加载是在第一次 put 操作时进行的，put 方法中相关的代码如下：
~~~java
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
~~~
那么接下来我们就来看看 initTable 方法，如何创建哈希表。
## 1、initTable 源码分析
initTable 是初始化 table 的方法。内部考虑了多线程的并发安全。我们直接看 initTable 的代码：
~~~java
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//如果sizeCtl<0,那么有其他线程正在创建table，所以本线程让出CPU的执行权。直到table创建完成，while循环跳出。if中同时还把sizeCtl的值赋值给了sc。
if ((sc = sizeCtl) < 0)
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
//以CAS方式修改sizeCtl为-1，表示本线程已经开始创建table的工作。
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
try {
//再次确认是否table还是空的
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//如果sc有值，那么使用sc的值作为table的size，否则使用默认值16
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
//sc被设置为table大小的3/4
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
//sizeCtl被设置为table大小的3/4
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
~~~
里面有个关键的值 sizeCtl，这个值有多个含义。
1、-1 代表有线程正在创建 table；
2、-N 代表有 N-1 个线程正在复制 table；
3、在 table 被初始化前，代表根据构造函数传入的值计算出的应被初始化的大小；
4、在 table 被初始化后，则被设置为 table 大小 的 75%，代表 table 的容量（数组容量）。
initTable 中使用到 1 和 4，2 和 3 在其它方法中会有使用。下面我们可以先看下 ConcurrentHashMap 的构造方法，里面会使用上面的 3 。
## 2、ConcurrentHashMap 构造函数源码分析
ConcurrentHashMap 带容量参数的构造函数源码如下：
~~~java
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
if (initialCapacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
//如果传入的初始化容量值超过最大容量的一半，那么sizeCtl会被设置为最大容量。
//否则通过tableSizeFor方法就算出一个2的n次方数值作为size
int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
this.sizeCtl = cap;
}
~~~
这是一个有参数的构造方法。如果你对未来存储的数据量有预估，我们可以指定哈希表的大小，避免频繁的扩容操作。tableSizeFor 这个方法确保了哈希表的大小永远都是 2 的 n 次方。这里我们回想一下上一节的内容，如果 size 不是 2 的 n 次方，那么 hash 算法计算的下标发生的碰撞概率会大大增加。因此通过 tableSizeFor 方法确保了返回大于传入参数的最小 2 的 n 次方。注意这里传入的参数不是 initialCapacity，而是 initialCapacity 的 1.5 倍 + 1。这样做是为了保证在默认 75% 的负载因子下，能够足够容纳 initialCapacity 数量的元素。讲到这里你一定好奇 tableSizeFor 是如何实现向上取得最接近入参 2 的 n 次方的。下面我们来看 tableSizeFor 源代码：
~~~java
private static final int tableSizeFor(int c) {
int n = c - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
~~~
依旧是二进制按位操作，这样一顿操作后，得到的数值就是大于 c 的最小 2 的 n 次。我们推演下过程，假设 c 是 9：
**1、int n = 9 - 1**
n=8
**2、n |= n >>> 1**
n=1000
n >>> 1=0100
两个值按位或后
n=1100
**3、n |= n >>> 2**
n=1100
n >>> 2=0011
n=1111
到这里可以看出规律来了。如果 c 足够大，使得 n 很大，那么运算到 n |= n >>> 16 时，n 的 32 位都为 1。
总结一下这一段逻辑，其实就是**把 n 有数值的 bit 位全部置为 1**。这样就得到了一个肯定大于等于 n 的值。我们再看最后一行代码，最终返回的是 n+1，那么一个所有位都是 1 的二进制数字，+1 后得到的就是一个 2 的 n 次方数值。
关于 ConcurrentHashMap (int initialCapacity) 构造函数的分析我们总结下：
1、构造函数中并不会初始化哈希表；
2、构造函数中仅设置哈希表大小的变量 sizeCtl；
3、initialCapacity 并不是哈希表大小；
4、哈希表大小为 initialCapacity\*1.5+1 后，向上取最小的 2 的 n 次方。如果超过最大容量一半，那么就是最大容量。
## 3、Put 方法中，保存 key/value 源码分析
前面我们还一直围绕在哈希表的创建在做讲解。接下来我们分析真正往哈希表存储数据的逻辑，我们先进行下回顾：
~~~java
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {
//再次确认该位置的值是否已经发生了变化
if (tabAt(tab, i) == f) {
//fh大于0，表示该位置存储的还是链表
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
//遍历链表
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//如果存在一样hash值的node，那么根据onlyIfAbsent的值选择覆盖value或者不覆盖
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;
//如果找到最后一个元素，也没有找到相同hash的node，那么生成新的node存储key/value，作为尾节点放入链表。
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
//下面的逻辑处理链表已经转为红黑树时的key/value保存
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;
}
}
}
}
~~~
这段代码主逻辑如下：
**第一种情况：hash 值映射哈希表对应位置存储的是链表：**
1、遍历 hash 值映射位置的链表；
2、如果存在同样 hash 值的 node，那么根据要求选择覆盖或者不覆盖；
3、如果不存在同样 hash 值的 node，那么创建新的 node 用来保存 key/value，并且放在链表尾部。
**第二种情况：hash 值映射哈希表对应位置存储的是红黑树：**
通过 TreeBin 对象的 putTreeVal 方法保存 key/value
以上逻辑还是比较清晰和简单。我们继续往下看，保存完 key/value 后，其实并没有结束 put 操作，而是进行了扩容的操作，代码如下：
~~~java
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
~~~
binCount 是用来记录链表保存 node 的数量的，可以看到当其大于 TREEIFY\_THRESHOLD，也就是 8 的时候进行扩容。
## 4、扩容源码分析
首先我们要理解为什么 Map 需要扩容，这是因为我们采用哈希表存储数据，当固定大小的哈希表存储数据越来越多时，链表长度会越来越长，这会造成 put 和 get 的性能下降。此时我们希望哈希表中多一些桶位，预防链表继续堆积的更长。接下来我们分析 treeifyBin 方法代码，这个代码中会选择是把此时保存数据所在的链表转为红黑树，还是对整个哈希表扩容。
~~~java
private final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int index) {
Node<K,V> b; int n, sc;
if (tab != null) {
//如果哈希表长度小于64，那么选择扩大哈希表的大小，而不是把链表转为红黑树
if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
tryPresize(n << 1);
//将哈希表中index位置的链表转为红黑树
else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
synchronized (b) {
//下面逻辑将node链表转化为TreeNode链表
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;
}
//TreeBin代表红黑树，将TreeBin保存在哈希表的index位置
setTabAt(tab, index, new TreeBin<K,V>(hd));
}
}
}
}
}
~~~
我们再重点看一下 tryPresize，此方法中实现了对数组的扩容，传入的参数 size 是原来哈希表大小的一倍。我们假定原来哈希表大小为 16，那么传入的 size 值为 32，以此数值作为例子来分析源代码。注意 while 中第一个 if 此时不会进入，但为了讲解代码我也在注释中一并讲解了，大家看的时候在这个分支中不要以 size=16 作为前提来分析。
~~~java
//size为32
//sizeCtl为原大小16的3/4，也就是12
private final void tryPresize(int size) {
//根据tableSizeFor计算出满足要求的哈希表大小，对齐为2的n次方。c被赋值为64，这是扩容的上限，扩容一般都是扩容为原来的2倍，这里c值为了处理一些特殊的情况，确保扩容能够正常退出。
int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY :
tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);
int sc;
//此时sc和sizeCtl均为12，进入while循环
while ((sc = sizeCtl) >= 0) {
Node<K,V>[] tab = table; int n;
//这里处理的table还未初始化的逻辑，这是由于putAll操作不调用initTable，而是直接调用tryPresize
if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
//putAll第一次调用时，假设putAll进来的map只有一个元素，那么size传入1，计算出c为2.而sc和sizeCtl都为0，因此n=2
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;
//经过计算sc=2
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
//sizeCtl设置为2.第二次循环时，因为sc和c相等，都为2，进入下面的else if分支，结束while循环。
sizeCtl = sc;
}
}
}
//扩容已经达到C值，结束扩容
else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
break;
//table已经存在，那么就对已有table进行扩容
else if (tab == table) {
int rs = resizeStamp(n);
//sc小于0，说明别的线程正在扩容，本线程协助扩容
if (sc < 0) {
Node<K,V>[] nt;
//判断是否扩容的线程达到上限，如果达到上限，退出
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
//未达上限，参与扩容，更新sizeCtl值。transfer方法负责把当前哈希表数据移入新的哈希表。
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
transfer(tab, nt);
}
//本线程为第一个扩容线程，transfer第二个参数传入null，代表需要新建扩容后的哈希表
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);
}
}
}
~~~
扩容方法 transfer 中会创建新的哈希表，关键代码如下：
~~~java
int n = tab.length, stride;
......
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
~~~
n<<1 得到的数值为 2n，也就是说每次都是扩容到原来 2 倍，这样保证了哈希表的大小始终为 2 的 n 次方。
扩容的核心代码到这里就分析完了，扩容相关代码还有很多，不过主要的核心思想我们能理解就可以了。
讲到这里我们再回一下 put 方法中最后有如下一行代码：
~~~java
addCount(1L, binCount);
~~~
这行代码其实是对哈希表保存的元素数量进行计数。同时根据当前保存状况，判断是否进行扩容。你可能会问，在添加元素的过程中不是已经执行了扩容的逻辑了吗？没错，不过上面的扩容逻辑是链表过长引起的。而 addCount 方法中会判断哈希表是否超过 75% 的位置已经被使用，从而触发扩容。扩容的逻辑是基本一致的。
## 5、get 方法源码分析
本节和前一节耗费了大量笔墨分析 put 的源代码。put 的源代码比较复杂，其实 put 方法的复杂是为了 get 服务，以提高 get 的效率。相比较 put 方法而言，get 方法就简单多了。我们直接看源代码：
~~~java
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
//获取key值的hash值
int h = spread(key.hashCode());
//这个if判断中做了如下几件事情：
//1、哈希表是否存在
//2、哈希表是否保存了数据，同时取得哈希表length
//3、哈希表中hash值映射位置保存的对象不为null，并取出给e，e为链表头节点
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
//如果e的hash值和传入key的hash值相等
if ((eh = e.hash) == h) {
//如果e的key和传入的key引用相同，或者key eaquals ek。那么返回e的value。
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
//如果头节点的hash<0,有两种情况
//1、hash=-1，正在扩容，该节点为ForwardingNode，通过find方法在nextTable中查找
//2、hash=-2，该节点为TreeBin，链表已经转为了红黑树。同样通过TreeBin的find方法查找。
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
//以上两种条件不满足，说明hash映射位置保存的还是链表头节点，但是和传入key值不同。那么遍历链表查找即可。
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
~~~
## 6、总结
通过两小节的学习，我们把 ConcurrentHashMap 中的主要源代码学习完成了，由于篇幅有限，还有很多更细节的地方没有讲解。如果想继续研究的话，建议把 Node、TreeNode 相关结构看一下。对算法感兴趣的话，可以看一下红黑树转化的过程。
ConcurrentHashMap 中，通过大量的 CAS 操作加上 Synchronized 来确保线程安全。对 ConcurrentHashMap 的学习我们把重点放在哈希算法和扩容上，面试的时候是考察的重点。
- 前言
- 第1章 Java并发简介
- 01 开篇词：多线程为什么是你必需要掌握的知识
- 02 绝对不仅仅是为了面试—我们为什么需要学习多线程
- 03 多线程开发如此简单—Java中如何编写多线程程序
- 04 人多力量未必大—并发可能会遇到的问题
- 第2章 Java中如何编写多线程
- 05 看若兄弟，实如父子—Thread和Runnable详解
- 06 线程什么时候开始真正执行？—线程的状态详解
- 07 深入Thread类—线程API精讲
- 08 集体协作，什么最重要？沟通！—线程的等待和通知
- 09 使用多线程实现分工、解耦、缓冲—生产者、消费者实战
- 第3章 并发的问题和原因详解
- 10 有福同享，有难同当—原子性
- 11 眼见不实—可见性
- 12 什么？还有这种操作！—有序性
- 13 问题的根源—Java内存模型简介
- 14 僵持不下—死锁详解
- 第4章 如何解决并发问题
- 15 原子性轻量级实现—深入理解Atomic与CAS
- 16 让你眼见为实—volatile详解
- 17 资源有限，请排队等候—Synchronized使用、原理及缺陷
- 18 线程作用域内共享变量—深入解析ThreadLocal
- 第5章 线程池
- 19 自己动手丰衣足食—简单线程池实现
- 20 其实不用造轮子—Executor框架详解
- 第6章 主要并发工具类
- 21 更高级的锁—深入解析Lock
- 22 到底哪把锁更适合你？—synchronized与ReentrantLock对比
- 23 按需上锁—ReadWriteLock详解
- 24 经典并发容器，多线程面试必备—深入解析ConcurrentHashMap上
- 25 经典并发容器，多线程面试必备—深入解析ConcurrentHashMap下
- 26不让我进门，我就在门口一直等！—BlockingQueue和ArrayBlockingQueue
- 27 倒数计时开始，三、二、一—CountDownLatch详解
- 28 人齐了，一起行动—CyclicBarrier详解
- 29 一手交钱，一手交货—Exchanger详解
- 30 限量供应，不好意思您来晚了—Semaphore详解
- 第7章 高级并发工具类及并发设计模式
- 31 凭票取餐—Future模式详解
- 32 请按到场顺序发言—Completion Service详解
- 33 分阶段执行你的任务-学习使用Phaser运行多阶段任务
- 34 谁都不能偷懒-通过 CompletableFuture 组装你的异步计算单元
- 35 拆分你的任务—学习使用Fork/Join框架
- 36 为多线程们安排一位经理—Master/Slave模式详解
- 第8章 总结
- 37 结束语