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Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

为什么把这两个数据结构对比分析呢,相信大家都明白。首先二者都是线程安全的,但是二者保证线程安全的方式却是不同的。废话不多说了,从源码的角度分析一下两者的异同,首先给出二者的继承关系图。

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Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

 Hashtable类属性和方法源码分析

我们还是先给出一张Hashtable类的属性和方法图,其中Entry是Hashtable类的静态内部类,该类继承自Map.Entry接口。如下将会详细讲解Hashtable类中属性和方法的含义。

Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  • 属性

  1. Entry[] table :Entry类型的数组,用于存储Hashtable中的键值对;

  2. int count :存储hashtable中有多少个键值对

  3. int threshold :当count值大于该值是,哈希表扩大容量,进行rehash()

  4. float loadFactor :threshold=哈希表的初始大小*loadFactor,初始容量默认为11,loadFactor值默认为0.75

  5. int modCount :实现"fail-fast"机制,在并发集合中对Hashtable进行迭代操作时,若其他线程对Hashtable进行结构性的修改,迭代器会通过比较expectedModCount和modCount是否一致,如果不一致则抛出ConcurrentModificationException异常。如下通过一个抛出ConcurrentModificationException异常的例子说明。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 ConcurrentModificationException异常

    Hashtable的remove(Object key)方法见如下方法5,每一次修改hashtable中的数据都更新modCount的值。Hashtable内部类Enumerator的相关部分代码如下:

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 Enumerator类

  • 方法

  1. contains(Object value),该方法是判断该hashtable中是否含有值为value的键值对,执行该方法需要加锁(synchronized)。hashtable中不允许存储空的value,所以当查找value为空时,直接抛出空指针异常。接下来是两个for循环遍历table。由如上的Entry实体类中的属性可以看出,next属性是指向与该实体拥有相同hashcode的下一个实体。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  2. containsKey(Object key),该方法是判断该hashtable中是否含有键为key的键值对,执行该方法也需要对整张table加锁(synchronized)。首先根据当前给出的key值计算hashcode,并有hashcode值计算该key所在table数组中的下标,依次遍历该下标中的每一个Entry对象e。由于不同的hashcode映射到数组中下标的位置可能相同,因此首先判断e的hashcode值和所查询key的hashcode值是否相同,如果相同在判断key是否相等。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  3. get(Object key),获取当前键key所对应的value值,本方法和containsKey(Object key)方法除了返回值其它都相同,如果能找到该key对应的value,则返回value的值,如果不能则返回null。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  4.  put(K key, V value),将该键值对加入table中。首先插入的value不能为空。其次如果当前插入的key值已经在table中存在,则用新的value替换掉原来的value值,并将原来的value值作为该方法的返回值返回。如果当前插入的key不在table中,则将该键值对插入。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

    插入的方法首先判断当前table中的值是否大于阈值(threshold),如果大于该阈值,首先对该表扩容,再将新的键值对插入table[index]的链表的第一个Entry的位置上。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  5. remove(Object key),将键为key的Entry从table表中移除。同样该方法也需要锁定整个table表。如果该table中存在该键,则返回删除的key的value值,如果当前table中不存在该key,则该方法的返回值为null。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  6. replace(K key, V value),将键为key的Entry对象值更新为value,并将原来的value最为该方法的返回值。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

ConcurrentHashMap类属性和方法源码分析

ConcurrentHashMap在JDK1.8中改动还是挺大的。它摒弃了Segment(段锁)的概念,在实现上采用了CAS算法。底层使用数组+链表+红黑树的方式,但是为了做到并发,同时也增加了大量的辅助类。如下是ConcurrentHashMap的类图。

Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  • 属性

Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

//ConcurrentHashMap最大容量private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;//ConcurrentHashMap初始默认容量private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;//最大table数组的大小static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;//默认并行级别,主体代码并未使用private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;//加载因子,默认为0.75private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;//当hash桶中hash冲突的数目大于此值时,将链表转化为红黑树,加快hash的查找速度static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;//当hash桶中hash冲突小于等于此值时,会把红黑树转化为链表static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;//当table数组的长度大于该值时,同时满足hash桶中hash冲突大于TREEIFY_THRESHOLD时,才会把链表转化为红黑树static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;//扩容操作中,transfer()方法允许多线程,该值表示一个线程执行transfer时,至少对连续的多少个hash桶进行transferprivate static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;//ForwardingNode的hash值,ForwardingNode是一种临时节点,在扩容中才会出现,不存储实际的数据static final int MOVED     = -1;//TreeBin的hash值,TreeBin是用于代理TreeNode的特殊节点,存储红黑树的根节点static final int TREEBIN   = -2;//用于和负数hash进行&运算,将其转化为正数static final int HASH_BITS = 0x7fffffff;

Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  •  基本类

  1. Node:基本结点/普通节点。当table中的Entry以链表形式存储时才使用,存储实际数据。此类不会在ConcurrentHashMap以外被修改,而且该类的key和value永远不为null(其子类可为null,随后会介绍)。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 Node

  2. TreeNode:红黑树结点。当table中的Entry以红黑树的形式存储时才会使用,存储实际数据。ConcurrentHashMap中对TreeNode结点的操作都会由TreeBin代理执行。当满足条件时hash会由链表变为红黑树,但是TreeNode中通过属性prev依然保留链表的指针。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 TreeNode

  3. ForwardingNode:转发结点。该节点是一种临时结点,只有在扩容进行中才会出现,其为Node的子类,该节点的hash值固定为-1,并且他不存储实际数据。如果旧table的一个hash桶中全部结点都迁移到新的数组中,旧table就在桶中放置一个ForwardingNode。当读操作或者迭代操作遇到ForwardingNode时,将操作转发到扩容后新的table数组中去执行,当写操作遇见ForwardingNode时,则尝试帮助扩容。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 ForwardingNode

    补充图一张说明扩容下是如何遍历结点的。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  4. TreeBin:代理操作TreeNode结点。该节点的hash值固定为-2,存储实际数据的红黑树的根节点。因为红黑树进行写入操作整个树的结构可能发生很大变化,会影响到读线程。因此TreeBin需要维护一个简单的读写锁,不用考虑写-写竞争的情况。当然并不是全部的写操作都需要加写锁,只有部分put/remove需要加写锁。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 TreeBin

  5. ReservationNode:保留结点,也被称为空节点。该节点的hash值固定为-3,不保存实际数据。正常的写操作都需要对hash桶的第一个节点进行加锁,如果hash桶的第一个节点为null时是无法加锁的,因此需要new一个ReservationNode节点,作为hash桶的第一个节点,对该节点进行加锁。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 ReservationNode

  • ConcurrentHashMap方法

 首先介绍一些基本的方法,这些方法不会直接用到,但却是理解ConcurrentHashMap常见方法前提,因为这些方法被ConcurrentHashMap常见的方法调用。然后在介绍完这些基本方法的基础上,再分析常见的containsValue、put、remove等常见方法。

  1. Node[] initTable():初始化table的方法。初始化这个工作不是在构造函数中执行的,而是在put方法中执行,put方法中发现table为null时,调用该方法。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 initTable方法

  2. 如下几个方法是用于读取table数组,使用Unsafe提供更强的功能代替普通的读写。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 View Code

  3. 扩容方法:扩容分为两个步骤:第一步新建一个2倍大小的数组(单线程完成),第二步是rehash,把旧数组中的数据重新计算hash值放入新数组中。ConcurrentHashMap在第二步中处理旧table[index]中的节点时,这些节点要么在新table[index]处,要么在新table[index]和table[index+n]处,因此旧table各hash桶中的节点迁移不相互影响。ConcurrentHashMap扩容可以在多线程下完成,因此就需要计算每个线程需要负责处理多少个hash桶。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 计算每个transfer处理桶的个数

    计算完成之后每个transfer按照计算的值处理相应下标位置的桶,扩容操作从旧数组的末尾向前一次对hash桶进行处理。从末尾向前处理主要是减少和遍历数据时的锁冲突。从旧数组的末尾向前代码如下:

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 计算每个transfer处理hash桶的区域

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

    扩容部分的完整代码如下:

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 扩容代码

    如下是一个链表扩容的示意图,第一张是一个hash桶中的一条链表,其中蓝色节点表示第X位为0,而红色表示第X位为1,扩容后旧table[i]的桶中为一个ForwardingNode节点,而新nextTab[i]和nextTable[i+n]的桶中分别为第二张和第三张图。Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析

  4. Traverser只读遍历器:确切的说它不是方法,而是一个内部类。ConcurrentHashMap的多线程扩容增加了对ConcurrentHashMap遍历的困难。当遍历旧table时,如果遇到某个hash桶中为ForwardingNode节点,则遍历顺序参考基本类中ForwardingNode中的介绍。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 Traverser

  5. containsValue(Object value):遍历ConcurrentHashMap看是否存在值为value的Node。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 containsValue(Object value)

  6. containsKey(Object key):遍历ConcurrentHashMap看是否存在键为key的Node。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 containsKey(Object key)

  7. put(K key, V value):将该键值对插入ConcurrentHashMap中。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 put(K key, V value)

  8. remove(Object key):删除键为key的Node。同样其中也包含了对replace(Object key, V value, Object cv)的介绍。

    Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析 remove(Object key)

至此ConcurrentHashMap的主要方法也就介绍完了,综合比较Hashtable和ConcurrentHashMap,两者都是线程安全的,但是Hashtable是表级锁,而ConcurrentHashMap是段级锁,锁住的单个Node,而且ConcurrentHashMap可以并发读取。对整张表进行迭代时,ConcurrentHashMap使用了不同于Hashtable的迭代方式,而是一种弱一致性的迭代器。


新闻标题:Hashtable、ConcurrentHashMap源码分析
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