學習ConcurrentHashMap1.7分段鎖原理
- 2020 年 3 月 17 日
- 筆記
1. 概述
接上一篇 學習 ConcurrentHashMap1.8 並發寫機制, 本文主要學習 Segment分段鎖 的實現原理。
雖然 JDK1.7 在生產環境已逐漸被 JDK1.8 替代，然而一些好的思想還是需要進行學習的。比方說位圖中尋找 bit 位的思路是不是和 ConcurrentHashMap1.7 有點相似？
接下來，本文基於 OpenJDK7 來做源碼解析。
2. ConcurrentHashMap1.7 初認識
ConcurrentHashMap 中 put()是線程安全的。但是很多時候, 由於業務需求, 需要先 get() 操作再 put() 操作，這 2 個操作無法保證原子性，這樣就會產生線程安全問題了。大家在開發中一定要注意。
ConcurrentHashMap 的結構示意圖如下:
在進行數據的定位時，會首先找到 segment, 然後在 segment 中定位 bucket。如果多線程操作同一個 segment, 就會觸發 segment 的鎖 ReentrantLock, 這就是分段鎖的基本實現原理。
3. 源碼分析
3.1 HashEntry
HashEntry 是 ConcurrentHashMap 的基礎單元(節點)，是實際數據的載體。
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; } /** * Sets next field with volatile write semantics. (See above * about use of putOrderedObject.) */ final void setNext(HashEntry<K,V> n) { UNSAFE.putOrderedObject(this, nextOffset, n); } // Unsafe mechanics static final sun.misc.Unsafe UNSAFE; static final long nextOffset; static { try { UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe(); Class k = HashEntry.class; nextOffset = UNSAFE.objectFieldOffset (k.getDeclaredField("next")); } catch (Exception e) { throw new Error(e); } } }3.2 Segment
Segment 繼承 ReentrantLock 鎖,用於存放數組 HashEntry[]。在這裡可以看出, 無論 1.7 還是 1.8 版本, ConcurrentHashMap 底層並不是對 HashMap 的擴展, 而是同樣從底層基於數組+鏈表進行功能實現。
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; // 數據節點存儲在這裡(基礎單元是數組) transient volatile HashEntry<K,V>[] table; transient int count; transient int modCount; transient int threshold; final float loadFactor; Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) { this.loadFactor = lf; this.threshold = threshold; this.table = tab; } // 具體方法不在這裡討論... }3.3 構造方法
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) { if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0) throw new IllegalArgumentException(); // 對於concurrencyLevel的理解, 可以理解為segments數組的長度，即理論上多線程並發數(分段鎖), 默認16 if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS; // Find power-of-two sizes best matching arguments int sshift = 0; int ssize = 1; // 默認concurrencyLevel = 16, 所以ssize在默認情況下也是16,此時 sshift = 4 // ssize = 2^sshift 即 ssize = 1 << sshift while (ssize < concurrencyLevel) { ++sshift; ssize <<= 1; } // 段偏移量，32是因為hash是int值，int值32位，默認值情況下此時segmentShift = 28 this.segmentShift = 32 - sshift; // 散列算法的掩碼，默認值情況下segmentMask = 15, 定位segment的時候需要根據segment[]長度取模, 即hash(key)&(ssize - 1) this.segmentMask = ssize - 1; if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; // 計算每個segment中table的容量, 初始容量=16, 並發數=16, 則segment中的Entry[]長度為1。 int c = initialCapacity / ssize; // 處理無法整除的情況，取上限 if (c * ssize < initialCapacity) ++c; // MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY默認時2，cap是2的n次方 int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY; while (cap < c) cap <<= 1; // create segments and segments[0] // 創建segments並初始化第一個segment數組,其餘的segment延遲初始化 Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor), (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]); // 默認並發數=16 Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize]; UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0] this.segments = ss; }由圖和源碼可知，當用默認構造函數時，最大並發數是 16，即最大允許 16 個線程同步寫操作，且無法擴展。所以如果我們的場景數據量比較大時，應該設置合適的並發數，避免頻繁鎖衝突。
3.4 put()操作
public V put(K key, V value) { Segment<K,V> s; if (value == null) throw new NullPointerException(); // 根據key的hash再次進行hash運算 int hash = hash(key.hashCode()); // 基於hash定位segment數組的索引。 // hash值是int值，32bits。segmentShift=28，無符號右移28位，剩下高4位，其餘補0。 // segmentMask=15，二進制低4位全部是1，所以j相當於hash右移後的低4位。 int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask; if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment // 找到對應segment s = ensureSegment(j); // 將新節點插入segment中 return s.put(key, hash, value, false); }
找出對應 segment，如果不存在就創建並初始化
@SuppressWarnings("unchecked") private Segment<K,V> ensureSegment(int k) { // 當前的segments數組 final Segment<K,V>[] ss = this.segments; // 計算原始偏移量,在segments數組的位置 long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset Segment<K,V> seg; // 判斷沒有被初始化 if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // 獲取第一個segment ss[0]作為原型 Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype int cap = proto.table.length; // 容量 float lf = proto.loadFactor; // 負載因子 int threshold = (int)(cap * lf); // 閾值 // 初始化ss[k] 內部的tab數組 // recheck HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]; // 再次檢查這個ss[k] 有沒有被初始化 if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab); // 自旋。getObjectVolatile 保證了讀的可見性,所以一旦有一個線程初始化了,那麼就結束自旋 while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s)) break; } } } return seg; }3.5 segment 插入節點
上一步找到 segment 位置後計算節點在 segment 中的位置。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { // 是否獲取鎖,失敗自旋獲取鎖(直到成功) HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); // 失敗了才會scanAndLockForPut V oldValue; try { HashEntry<K,V>[] tab = table; int index = (tab.length - 1) & hash; // 獲取到bucket位置的第一個節點 HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index); for (HashEntry<K,V> e = first;;) { // hash衝突 if (e != null) { K k; // key相等則覆蓋 if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) { oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent) { e.value = value; ++modCount; } break; } // 不相等則遍歷鏈表 e = e.next; } else { if (node != null) // 將新節點插入鏈表作為表頭 node.setNext(first); else // 創建新節點並插入表頭 node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first); int c = count + 1; // 判斷元素個數是否超過了閾值或者segment中數組的長度超過了MAXIMUM_CAPACITY，如果滿足條件則rehash擴容！ if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY) // 擴容 rehash(node); else setEntryAt(tab, index, node); ++modCount; count = c; oldValue = null; break; } } } finally { // 解鎖 unlock(); } return oldValue; }如果加鎖失敗則先走 scanAndLockForPut() 方法。
private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) { // 根據hash獲取頭結點 HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash); HashEntry<K,V> e = first; HashEntry<K,V> node = null; int retries = -1; // negative while locating node // 嘗試獲取鎖,成功就返回,失敗就開始自旋 while (!tryLock()) { HashEntry<K,V> f; // to recheck first below if (retries < 0) { // 如果頭結點不存在 if (e == null) { if (node == null) // speculatively create node node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null); retries = 0; } // 和頭結點key相等 else if (key.equals(e.key)) retries = 0; else // 下一個節點 直到為null e = e.next; } // 達到自旋的最大次數 else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) { // lock()是阻塞方法。進入加鎖方法,失敗進入隊列,阻塞當前線程 lock(); break; } // TODO (retries & 1) == 0 沒理解 else if ((retries & 1) == 0 && (f = entryForHash(this, hash)) != first) { // 頭結點變化,需要重新遍歷,說明有新的節點加入或者移除 e = first = f; // re-traverse if entry changed retries = -1; } } return node; }(retries & 1) == 0 沒理解是在做什麼，有小夥伴看明白了請賜教。
最後
本文到此結束，主要是學習分段鎖是如何工作的。謝謝大家的觀看。
