基于JDK1.8,Java容器源码分析

容器源码分析

如果没有特别说明,以下源码分析基于 JDK 1.8。

在 IDEA 中 double shift 调出 Search EveryWhere,查找源码文件,找到之后就可以阅读源码。

List

ArrayList

1. 概览

实现了 RandomAccess 接口,因此支持随机访问。这是理所当然的,因为 ArrayList 是基于数组实现的。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable

数组的默认大小为 10。

private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

2. 扩容

添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够, 如果不够时,需要使用 grow() 方法进行扩容, 新容量的大小为 oldCapacity + (oldCapacity >> 1),也就是旧容量的 1.5 倍

扩容操作需要调用 Arrays.copyOf() 把原数组整个复制到新数组中,这个操作代价很高,因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小,减少扩容操作的次数。

public boolean add(E e) {
    //添加元素时使用 ensureCapacityInternal() 方法来保证容量足够,
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0)
        grow(minCapacity);
}

private void grow(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int oldCapacity = elementData.length;
    int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
    if (newCapacity - minCapacity < 0)
        newCapacity = minCapacity;
    if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
        newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
    // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
    //这个操作代价很高,因此最好在创建 ArrayList 对象时就指定大概的容量大小,减少扩容操作的次数。
    elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}

3. 删除元素

需要调用 System.arraycopy() 将 index+1 后面的元素都复制到 index 位置上,该操作的时间复杂度为 O(N),可以看出 ArrayList 删除元素的代价是非常高的。

public E remove(int index) {
    rangeCheck(index);
    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    //index+1 后面的元素都向左移动一位 即index+1位置的后面元素个数 (size-1)-(index+1)+1
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        //将 index+1后面的元素都向左移动一位,原来的 (index+1)位置元素就移到 index位置
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    return oldValue;
}

4. Fail-Fast

modCount 用来记录 ArrayList 结构发生变化的次数。结构发生变化是指添加或者删除至少一个元素的所有操作,或者是调整内部数组的大小,仅仅只是设置元素的值不算结构发生变化。

在进行序列化或者迭代等操作时,需要比较操作前后 modCount 是否改变, 如果改变了需要抛出 ConcurrentModificationException。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    //这里 记录操作前的 modCount
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();

    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);

    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);//操作
    }

    //这里的modCount是操作后的 modCount与之前的作比较
    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

5. 序列化

ArrayList 基于数组实现,并且具有动态扩容特性,因此保存元素的数组不一定都会被使用,那么就没必要全部进行序列化。

保存元素的数组 elementData 使用 transient 修饰,该关键字声明数组默认不会被序列化。

transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access

ArrayList 实现了 writeObject() 和 readObject() 来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;

    // Read in size, and any hidden stuff
    s.defaultReadObject();

    // Read in capacity
    s.readInt(); // ignored

    if (size > 0) {
        // be like clone(), allocate array based upon size not capacity
        //根据size来分配内存,来控制只序列化数组中有元素填充那部分内容
        ensureCapacityInternal(size);

        Object[] a = elementData;
        // Read in all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            a[i] = s.readObject();
        }
    }
}
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException{
    // Write out element count, and any hidden stuff
    int expectedModCount = modCount;
    s.defaultWriteObject();

    // Write out size as capacity for behavioural compatibility with clone()
    s.writeInt(size);

    // Write out all elements in the proper order.
    for (int i=0; i<size; i++) {
        s.writeObject(elementData[i]);
    }

    if (modCount != expectedModCount) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

序列化时需要使用 ObjectOutputStream 的 writeObject() 将对象转换为字节流并输出。而 writeObject() 方法在传入的对象存在 writeObject() 的时候会去反射调用该对象的 writeObject() 来实现序列化。反序列化使用的是 ObjectInputStream 的 readObject() 方法,原理类似。

ArrayList list = new ArrayList();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(file));
oos.writeObject(list);

6.System.arraycopy()和Arrays.copyOf()方法

Arrays.copyOf()的源代码内部调用了System.arraycopy()方法。但是System.arraycopy()方法需要目标数组, 将原数组拷贝到你自己定义的数组里,而且可以选择拷贝的起点和长度以及放入新数组中的位置; Arrays.copyOf()是系统自动在内部创建一个数组,并返回这个新创建的数组。

Vector

1. 同步

它的实现与 ArrayList 类似,但是使用了 synchronized 进行同步。

public synchronized boolean add(E e) {
    modCount++;
    ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
    elementData[elementCount++] = e;
    return true;
}

public synchronized E get(int index) {
    if (index >= elementCount)
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);

    return elementData(index);
}

2. 与 ArrayList 的比较

  • Vector 是同步的,因此开销就比 ArrayList 要大,访问速度更慢。 最好使用 ArrayList 而不是 Vector,因为同步操作完全可以由程序员自己来控制;
  • Vector 每次扩容请求其大小的 2 倍空间,而 ArrayList 是 1.5 倍。

3. 替代方案

可以使用 Collections.synchronizedList(); 得到一个线程安全的 ArrayList。

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> synList = Collections.synchronizedList(list);

也可以使用 concurrent 并发包下的 CopyOnWriteArrayList 类。

List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList

读写分离

写操作在一个复制的数组上进行,读操作还是在原始数组中进行,读写分离,互不影响。

写操作需要加锁,防止并发写入时导致写入数据丢失。

写操作结束之后需要把原始数组指向新的复制数组。

public boolean add(E e) {
   //加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        //写操作在一个复制的数组上进行
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

final void setArray(Object[] a) {
    array = a;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
private E get(Object[] a, int index) {
    //读取操作仍然在原始的数组中
    return (E) a[index];
}

适用场景

CopyOnWriteArrayList 在写操作的同时允许读操作,大大提高了读操作的性能,因此很适合读多写少的应用场景。

但是 CopyOnWriteArrayList 有其缺陷:

  • 内存占用:在写操作时需要复制一个新的数组,使得内存占用为原来的两倍左右;
  • 数据不一致:读操作不能读取实时性的数据,因为部分写操作的数据还未同步到读数组中。

所以 CopyOnWriteArrayList 不适合内存敏感以及对实时性要求很高的场景

LinkedList

1. 概览

基于双向链表实现,使用 Node 存储链表节点信息。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;
}

每个链表存储了 first 和 last 指针:

transient Node<E> first;
transient Node<E> last;

2. 添加元素

  • 将元素添加到链表尾部
public boolean add(E e) {
    linkLast(e);//这里就只调用了这一个方法
    return true;
}
/**
 * e作为最后一个元素。
 */
void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;//新建节点,尾指针指向新节点
    //如果是空的双向链表,则该节点既是尾节点,又是头节点
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;//指向后继元素也就是指向下一个元素
    size++;
    modCount++;
}
  • 将元素添加到链表头部
public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}
/**
* e元素作为头元素
*/
private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);//新建节点,以头节点为后继节点
    first = newNode;
    //如果链表为空,last节点也指向该节点
    if (f == null)
        last = newNode;
    //否则,将头节点的前驱指针指向新节点,也就是指向前一个元素
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}

3. 删除指定元素

public boolean remove(Object o) {
    //如果删除对象为null
    if (o == null) {
        //从头开始遍历
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            //找到元素
            if (x.item == null) {
               //从链表中移除找到的元素
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        //从头开始遍历
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            //找到元素
            if (o.equals(x.item)) {
                //从链表中移除找到的元素
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}
/**
* 双向链表先删除前驱,再删除后继
* 注意:这个待删除的节点是不是头节点或者只为尾节点
*/
E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;//得到后继节点
    final Node<E> prev = x.prev;//得到前驱节点

    /**
    * 删除前驱指针 
    */
    //如果删除的节点是头节点,令头节点指向该节点的后继节点
    if (prev == null) {
        first = next; 
    } else {
        prev.next = next;//将前驱节点的后继节点指向后继节点
        x.prev = null; //TODO:十分重要
    }

    /**
    * 删除后继指针 
    */
    //如果删除的节点是尾节点,令尾节点指向该节点的前驱节点
    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}

4. 与 ArrayList 的比较

  • ArrayList 基于动态数组实现,LinkedList 基于双向链表实现;
  • ArrayList 支持随机访问,LinkedList 不支持;
  • LinkedList 在任意位置添加删除元素更快。

Map

HashMap

为了便于理解,以下源码分析以 JDK 1.7 为主。

1. 存储结构

内部包含了一个 Entry 类型的数组 table。

transient Entry[] table;

Entry 存储着键值对。它包含了四个字段,从 next 字段我们可以看出 Entry 是一个链表。 即数组中的每个位置被当成一个桶,一个桶存放一个链表。HashMap 使用拉链法来解决冲突, 同一个链表中存放哈希值相同的 Entry。

static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    //包含了四个字段
    final K key;
    V value;
    //next指向下一个节点,说明是链表结构
    Entry<K,V> next;
    int hash;

    Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
        value = v;
        next = n;
        key = k;
        hash = h;
    }

    public final K getKey() {
        return key;
    }

    public final V getValue() {
        return value;
    }

    public final V setValue(V newValue) {
        V oldValue = value;
        value = newValue;
        return oldValue;
    }

    public final boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry e = (Map.Entry)o;
        Object k1 = getKey();
        Object k2 = e.getKey();
        // k1==k2比较的是hashcode值,k1.equals(k2)比较的是k1和k2的内容
        if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
            Object v1 = getValue();
            Object v2 = e.getValue();
            if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                return true;
        }
        return false;
    }

    public final int hashCode() {
        return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
    }

    public final String toString() {
        return getKey() + "=" + getValue();
    }
}

2. 拉链法的工作原理

HashMap<String, String> map = new HashMap<>();
map.put("K1", "V1");
map.put("K2", "V2");
map.put("K3", "V3");
  • 新建一个 HashMap,默认大小为 16;
  • 插入 <K1,V1> 键值对,先计算 K1 的 hashCode 为 115,使用除留余数法得到所在的桶下标 115%16=3。
  • 插入 <K2,V2> 键值对,先计算 K2 的 hashCode 为 118,使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6。
  • 插入 <K3,V3> 键值对,先计算 K3 的 hashCode 为 118,使用除留余数法得到所在的桶下标 118%16=6,插在 <K2,V2> 前面。

应该注意到链表的插入是以头插法方式进行的,例如上面的 <K3,V3> 不是插在 <K2,V2> 后面,而是插入在链表头部。

查找需要分成两步进行:

  • 计算键值对所在的桶;
  • 在链表上顺序查找,时间复杂度显然和链表的长度成正比。

3. put 操作

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    // 键为 null 单独处理
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    // 确定桶下标
    int i = indexFor(hash, table.length);
    // 先找出是否已经存在键为 key 的键值对,如果存在的话就更新这个键值对的值为 value
    // 时间复杂度显然和链表的长度成正比。
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    // 插入新键值对
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

HashMap 允许插入键为 null 的键值对。但是因为无法调用 null 的 hashCode() 方法,也就无法确定该键值对的桶下标,只能通过强制指定一个桶下标来存放。HashMap 使用第 0 个桶存放键为 null 的键值对。

private V putForNullKey(V value) {
    //HashMap 使用第 0 个桶 table[0] 存放键为 null 的键值对。
    for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
        if (e.key == null) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    //void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex)
    addEntry(0, null, value, 0);
    return null;
}

使用链表的头插法,也就是新的键值对插在链表的头部,而不是链表的尾部。

//TODO:使用链表的头插法,也就是新的键值对插在链表的头部,而不是链表的尾部。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    // 头插法,链表头部指向新的键值对
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}
Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
    value = v;
    next = n;
    key = k;
    hash = h;
}

4. 确定桶下标

很多操作都需要先确定一个键值对所在的桶下标。

int hash = hash(key);
int i = indexFor(hash, table.length);

4.1 计算 hash 值

final int hash(Object k) {
    int h = hashSeed;
    if (0 != h && k instanceof String) {
        return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
    }

    h ^= k.hashCode();

    // This function ensures that hashCodes that differ only by
    // constant multiples at each bit position have a bounded
    // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
public final int hashCode() {
    return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}

4.2 取模

令 x = 1<<4,即 x 为 2 的 4 次方,它具有以下性质:

x   : 00010000
x-1 : 00001111

令一个数 y 与 x-1 做与运算,可以去除 y 位级表示的第 4 位以上数:

y       : 10110010
x-1     : 00001111
y&(x-1) : 00000010

这个性质和 y 对 x 取模效果是一样的:

y   : 10110010
x   : 00010000
y%x : 00000010

我们知道,位运算的代价比求模运算小的多,因此在进行这种计算时用位运算的话能带来更高的性能。

确定桶下标的最后一步是将 key 的 hash 值对桶个数取模: hash%capacity,如果能保证 capacity 为 2 的 n 次方,那么就可以将这个操作转换为位运算

static int indexFor(int h, int length) {
    return h & (length-1);
}

就等价于

static int indexFor(int h, int length) {
    return h % length;
}

但是效率会更高。

5. 扩容-基本原理

设 HashMap 的 table 长度为 M,需要存储的键值对数量为 N,如果哈希函数满足均匀性的要求,那么每条链表的长度大约为 N/M,因此平均查找次数的复杂度为 O(N/M)。

为了让查找的成本降低,应该尽可能使得 N/M 尽可能小,因此需要保证 M 尽可能大,也就是说 table 要尽可能大。 HashMap 采用动态扩容来根据当前的 N 值来调整 M 值,使得空间效率和时间效率都能得到保证。

和扩容相关的参数主要有:capacity、size、threshold 和 load_factor。

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16; 
//保证 capacity 为 2 的 n 次方,那么就可以将indexFor方法中操作转换为位运算

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;  
//保证 capacity 为 2 的 n 次方,那么就可以将indexFor方法中操作转换为位运算

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

transient Entry[] table;

transient int size;

int threshold;

final float loadFactor;

transient int modCount;

从下面的添加元素代码中可以看出,当需要扩容时,令 capacity 为原来的两倍。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    if (size++ >= threshold)
        resize(2 * table.length);//令 capacity 为原来的两倍
}

扩容使用 resize() 实现,需要注意的是,扩容操作同样需要把 oldTable 的所有键值对重新插入 newTable 中,因此这一步是很费时的。

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable);
    table = newTable;
    threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
}

void transfer(Entry[] newTable) {
    Entry[] src = table;
    int newCapacity = newTable.length;
    for (int j = 0; j < src.length; j++) {
        Entry<K,V> e = src[j];
        if (e != null) {
            src[j] = null;
            do {
                Entry<K,V> next = e.next;
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            } while (e != null);
        }
    }
}

6. 扩容-重新计算桶下标

在进行扩容时,需要把键值对重新放到对应的桶上。HashMap 使用了一个特殊的机制,可以降低重新计算桶下标的操作。

假设原数组长度 capacity 为 16,扩容之后 new capacity 为 32:

capacity     : 00010000
new capacity : 00100000

对于一个 Key,

  • 它的哈希值如果在第 5 位上为 0,那么取模得到的结果和之前一样;
  • 如果为 1,那么得到的结果为原来的结果 +16。

7. 计算数组容量

HashMap 构造函数允许用户传入的容量不是 2 的 n 次方,因为它可以自动地将传入的容量转换为 2 的 n 次方。

先考虑如何求一个数的掩码,对于 10010000,它的掩码为 11111111,可以使用以下方法得到:

mask |= mask >> 1    11011000
mask |= mask >> 2    11111110
mask |= mask >> 4    11111111

mask+1 是大于原始数字的最小的 2 的 n 次方。

num     10010000
mask+1 100000000

以下是 HashMap 中计算数组容量的代码:

static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    //得到n的掩码
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

8. 链表转红黑树

从 JDK 1.8 开始,一个桶存储的链表长度大于 8 时会将链表转换为红黑树

9. 与 HashTable 的比较

  • HashMap 是非线程安全的,HashTable 使用 synchronized 来进行同步,是线程安全的。
  • HashMap 要比 HashTable 效率高一点。HashTable 基本被淘汰,不要在代码中使用它。
  • HashMap 可以插入键为 null 的 Entry;HashTable 中插入的键只要有一个为 null,直接抛出 NullPointerException。
  • HashMap 的迭代器是 fail-fast 迭代器。
  • HashMap 不能保证随着时间的推移 Map 中的元素次序是不变的。
  • HashMap 在解决哈希冲突时有了较大的变化,当链表长度大于阈值(默认为8)时,将链表转化为红黑树,以减少搜索时间;Hashtable 没有这样的机制。
  • HashMap 默认的初始化大小为16。之后每次扩充,容量变为原来的2倍;Hashtable 容量默认的初始大小为11,之后每次扩充,容量变为原来的2n+1。 在初始化时如果给定了容量初始值,HashMap 会将其扩充为2的幂次方大小;Hashtable 会直接使用初始值。

10. 与 HashSet 的比较

HashSet 底层就是基于HashMap实现的。 (HashSet 的源码非常非常少,因为除了 clone() 方法、writeObject()方法、readObject()方法是 HashSet 自己不得不实现之外, 其他方法都是直接调用 HashMap 中的方法。)

ConcurrentHashMap

1. 存储结构

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

ConcurrentHashMap 和 HashMap 实现上类似,最主要的差别是 ConcurrentHashMap 采用了分段锁(Segment), 每个分段锁维护着几个桶(HashEntry),多个线程可以同时访问不同分段锁上的桶, 从而使其并发度更高(并发度就是 Segment 的个数)。

Segment 继承自 ReentrantLock。

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L;

    static final int MAX_SCAN_RETRIES =
        Runtime.getRuntime().availableProcessors() > 1 ? 64 : 1;

    transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

    transient int count;

    transient int modCount;

    transient int threshold;

    final float loadFactor;
}
final Segment<K,V>[] segments;

默认的并发级别为 16,也就是说默认创建 16 个 Segment。

static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

2. size 操作

每个 Segment 维护了一个 count 变量来统计该 Segment 中的键值对个数。

/**
 * The number of elements. Accessed only either within locks
 * or among other volatile reads that maintain visibility.
 */
transient int count;

在执行 size 操作时,需要遍历所有 Segment 然后把 count 累计起来。

ConcurrentHashMap 在执行 size 操作时先尝试不加锁,如果连续两次不加锁操作得到的结果一致,那么可以认为这个结果是正确的。

尝试次数使用 RETRIES_BEFORE_LOCK 定义,该值为 2,retries 初始值为 -1,因此尝试次数为 3。

如果尝试的次数超过 3 次,就需要对每个 Segment 加锁。

/**
 * Number of unsynchronized retries in size and containsValue
 * methods before resorting to locking. This is used to avoid
 * unbounded retries if tables undergo continuous modification
 * which would make it impossible to obtain an accurate result.
 */
static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;

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 (;;) {
            // 超过尝试次数,则对每个 Segment 加锁
            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;
                }
            }
            // 连续两次得到的结果一致,则认为这个结果是正确的
            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;
}

3. JDK 1.8 的改动

JDK 1.7 使用分段锁机制来实现并发更新操作,核心类为 Segment,它继承自重入锁 ReentrantLock,并发度与 Segment 数量相等。

JDK 1.8 使用了 CAS 操作来支持更高的并发度,在 CAS 操作失败时使用内置锁 synchronized。

并且 JDK 1.8 的实现也在链表过长时会转换为红黑树。

4. 和 Hashtable 的区别

底层数据结构:

  • JDK1.7 的ConcurrentHashMap底层采用分段的数组+链表实现, JDK1.8 的ConcurrentHashMap底层采用的数据结构与JDK1.8 的HashMap的结构一样,数组+链表/红黑二叉树
  • Hashtable和JDK1.8 之前的HashMap的底层数据结构类似都是采用数组+链表的形式, 数组是 HashMap 的主体,链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的

实现线程安全的方式

  • JDK1.7的ConcurrentHashMap(分段锁)对整个桶数组进行了分割分段(Segment), 每一把锁只锁容器其中一部分数据,多线程访问容器里不同数据段的数据,就不会存在锁竞争,提高并发访问率。 JDK 1.8 采用数组+链表/红黑二叉树的数据结构来实现,并发控制使用synchronized和CAS来操作。
  • Hashtable:使用 synchronized 来保证线程安全,效率非常低下。 当一个线程访问同步方法时,其他线程也访问同步方法,可能会进入阻塞或轮询状态, 如使用 put 添加元素,另一个线程不能使用 put 添加元素,也不能使用 get,竞争会越来越激烈。

HashTable全表锁

ConcurrentHashMap分段锁

LinkedHashMap

存储结构

继承自 HashMap,因此具有和 HashMap 一样的快速查找特性。

public class LinkedHashMap<K,V> extends HashMap<K,V> implements Map<K,V>

内部维护了一个双向链表,用来维护插入顺序或者 LRU 顺序

/**
 * The head (eldest) of the doubly linked list.
 */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> head;

/**
 * The tail (youngest) of the doubly linked list.
 */
transient LinkedHashMap.Entry<K,V> tail;

accessOrder 决定了顺序,默认为 false,此时维护的是插入顺序。

final boolean accessOrder;

LinkedHashMap 最重要的是以下用于维护顺序的函数,它们会在 put、get 等方法中调用。

void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }

afterNodeAccess()

当一个节点被访问时,如果 accessOrder 为 true,则会将该节点移到链表尾部。也就是说指定为 LRU 顺序之后,在每次访问一个节点时,会将这个节点移到链表尾部,保证链表尾部是最近访问的节点,那么链表首部就是最近最久未使用的节点。

void afterNodeAccess(Node<K,V> e) { // move node to last
    LinkedHashMap.Entry<K,V> last;
    if (accessOrder && (last = tail) != e) {
        LinkedHashMap.Entry<K,V> p =
            (LinkedHashMap.Entry<K,V>)e, b = p.before, a = p.after;
        p.after = null;
        if (b == null)
            head = a;
        else
            b.after = a;
        if (a != null)
            a.before = b;
        else
            last = b;
        if (last == null)
            head = p;
        else {
            p.before = last;
            last.after = p;
        }
        tail = p;
        ++modCount;
    }
}

afterNodeInsertion()

在 put 等操作之后执行,当 removeEldestEntry() 方法返回 true 时会移除最晚的节点,也就是链表首部节点 first。

evict 只有在构建 Map 的时候才为 false,在这里为 true。

void afterNodeInsertion(boolean evict) { // possibly remove eldest
    LinkedHashMap.Entry<K,V> first;
    if (evict && (first = head) != null && removeEldestEntry(first)) {
        K key = first.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, true);
    }
}

removeEldestEntry() 默认为 false,如果需要让它为 true,需 要继承 LinkedHashMap 并且覆盖这个方法的实现, 这在实现 LRU 的缓存中特别有用,通过移除最近最久未使用的节点, 从而保证缓存空间足够,并且缓存的数据都是热点数据。

protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest) {
    return false;
}

LRU 缓存

以下是使用 LinkedHashMap 实现的一个 LRU 缓存:

  • 设定最大缓存空间 MAX_ENTRIES 为 3;
  • 使用 LinkedHashMap 的构造函数将 accessOrder 设置为 true,开启 LRU 顺序;
  • 覆盖 removeEldestEntry() 方法实现,在节点多于 MAX_ENTRIES 就会将最近最久未使用的数据移除。
public class LRUCache<K,V> extends LinkedHashMap<K,V>{
    private static final int MAX_ENTRIES = 3;

    LRUCache(){
        super(MAX_ENTRIES,0.75f,true);
    }
    
    /**
     * removeEldestEntry() 默认为 false,
     * 如果需要让它为 true,需要继承 LinkedHashMap 并且覆盖这个方法的实现,
     * 这在实现 LRU 的缓存中特别有用,通过移除最近最久未使用的节点,
     * 从而保证缓存空间足够,并且缓存的数据都是热点数据。
     */
    @Override
    protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
        return size() > MAX_ENTRIES;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        LRUCache<Integer,String> cache=new LRUCache<>();
        cache.put(1, "a");
        cache.put(2, "b");
        cache.put(3, "c");
        cache.get(1); 
        //LRU  键值1被访问过了,则最近最久未访问的就是2
        cache.put(4, "d");
        System.out.println(cache.keySet());
    }
}
[3, 1, 4]

WeakHashMap

存储结构

WeakHashMap 的 Entry 继承自 WeakReference,被 WeakReference 关联的对象在下一次垃圾回收时会被回收。

WeakHashMap 主要用来实现缓存,通过使用 WeakHashMap 来引用缓存对象,由 JVM 对这部分缓存进行回收。

private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>

ConcurrentCache

Tomcat 中的 ConcurrentCache 使用了 WeakHashMap 来实现缓存功能。

ConcurrentCache 采取的是分代缓存

  • 经常使用的对象放入 eden 中,eden 使用 ConcurrentHashMap 实现,不用担心会被回收(伊甸园);
  • 不常用的对象放入 longterm,longterm 使用 WeakHashMap 实现,这些老对象会被垃圾收集器回收。
  • 当调用 get() 方法时,会先从 eden 区获取,如果没有找到的话再到 longterm 获取,当从 longterm 获取到就把对象放入 eden 中,从而保证经常被访问的节点不容易被回收。
  • 当调用 put() 方法时,如果 eden 的大小超过了 size,那么就将 eden 中的所有对象都放入 longterm 中,利用虚拟机回收掉一部分不经常使用的对象。
public final class ConcurrentCache<K, V> {

    private final int size;

    private final Map<K, V> eden;

    private final Map<K, V> longterm;

    public ConcurrentCache(int size) {
        this.size = size;
        this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
        this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
    }

    public V get(K k) {
        V v = this.eden.get(k);
        if (v == null) {
            v = this.longterm.get(k);
            if (v != null)
                this.eden.put(k, v);
        }
        return v;
    }

    public void put(K k, V v) {
        if (this.eden.size() >= size) {
            this.longterm.putAll(this.eden);
            this.eden.clear();
        }
        this.eden.put(k, v);
    }
}

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