原创

Java多线程进阶(二四)—— J.U.C之collections框架:ConcurrentHashMap扩容

通过上一篇文章——ConcurrentHashMap原理(1),相信读者对ConcurrentHashMap的基本原理有了一个初步认识,但是上一篇中还有一个遗留问题没有讨论到,那就是ConcurrentHashMap的扩容数据迁移。本文中,我们将会对这两个问题进行讨论。

一、扩容的基本思路

JDK1.8中,ConcurrentHashMap最复杂的部分就是扩容/数据迁移,涉及多线程的合作和rehash。我们先来考虑下一般情况下,如何对一个Hash表进行扩容。

1.1 扩容思路

Hash表的扩容,一般都包含两个步骤:

①table数组的扩容
table数组的扩容,一般就是新建一个2倍大小的槽数组,这个过程通过由一个单线程完成,且不允许出现并发。

②数据迁移
所谓数据迁移,就是把旧table中的各个槽中的结点重新分配到新table中。比如,单线程情况下,可以遍历原来的table,然后put到新table中。

这一过程通常涉及到槽中key的rehash,因为key映射到桶的位置与table的大小有关,新table的大小变了,key映射的位置一般也会变化。

ConcurrentHashMap在处理rehash的时候,并不会重新计算每个key的hash值,而是利用了一种很巧妙的方法。我们在上一篇说过,ConcurrentHashMap内部的table数组的大小必须为2的幂次,原因是让key均匀分布,减少冲突,这只是其中一个原因。另一个原因就是:

当table数组的大小为2的幂次时,通过key.hash & table.length-1这种方式计算出的索引i,当table扩容后(2倍),新的索引要么在原来的位置i,要么是i+n

我们来看个例子:
img

上图中:
扩容前,table数组大小为16,key1和key2映射到同一个索引5;
扩容后,table数组的大小变成 2*16=32 ,key1的索引不变,key2的索引变成 5+16=21

而且还有一个特点,扩容后key对应的索引如果发生了变化,那么其变化后的索引最高位一定是1(见扩容后key2的最高位)。

这种处理方式非常利于扩容时多个线程同时进行的数据迁移操作,因为旧table的各个桶中的结点迁移不会互相影响,所以就可以用“分治”的方式,将整个table数组划分为很多部分,每一部分包含一定区间的桶,每个数据迁移线程处理各自区间中的结点,对多线程同时进行数据迁移非常有利,后面我们会详细介绍。

1.2 扩容时机

我们再来看下,ConcurrentHashMap何时会发生扩容。
在上篇文章中,我们提到过,当往Map中插入结点时,如果链表的结点数目超过一定阈值,就会触发链表 -> 红黑树的转换:

if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
    treeifyBin(tab, i);             // 链表 -> 红黑树 转换

现在,我们来分析下treeifyBin这个红黑树化的操作:

/**
 * 尝试进行 链表 -> 红黑树 的转换.
 */
private final void treeifyBin(Node<K, V>[] tab, int index) {
    Node<K, V> b;
    int n, sc;
    if (tab != null) {

        // CASE 1: table的容量 < MIN_TREEIFY_CAPACITY(64)时,直接进行table扩容,不进行红黑树转换
        if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
            tryPresize(n << 1);

            // CASE 2: table的容量 ≥ MIN_TREEIFY_CAPACITY(64)时,进行链表 -> 红黑树的转换
        else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) {
            synchronized (b) {
                if (tabAt(tab, index) == b) {
                    TreeNode<K, V> hd = null, tl = null;

                    // 遍历链表,建立红黑树
                    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;
                    }
                    // 以TreeBin类型包装,并链接到table[index]中
                    setTabAt(tab, index, new TreeBin<K, V>(hd));
                }
            }
        }
    }
}

上述第一个分支中,还会再对table数组的长度进行一次判断:
如果table长度小于阈值MIN_TREEIFY_CAPACITY——默认64,则会调用tryPresize方法把数组长度扩大到原来的两倍。

从代码也可以看到,链表 -> 红黑树这一转换并不是一定会进行的,table长度较小时,CurrentHashMap会首先选择扩容,而非立即转换成红黑树。

来看下tryPresize方法如何执行扩容:

/**
 * 尝试对table数组进行扩容.
 *
 * @param 待扩容的大小
 */
private final void tryPresize(int size) {
    // 视情况将size调整为2的幂次
    int c = (size >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ? MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor(size + (size >>> 1) + 1);
    int sc;
    while ((sc = sizeCtl) >= 0) {
        Node<K, V>[] tab = table;
        int n;

        //CASE 1: table还未初始化,则先进行初始化
        if (tab == null || (n = tab.length) == 0) {
            n = (sc > c) ? sc : c;
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if (table == tab) {
                        Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n];
                        table = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
            }
        }
        // CASE2: c <= sc说明已经被扩容过了;n >= MAXIMUM_CAPACITY说明table数组已达到最大容量
        else if (c <= sc || n >= MAXIMUM_CAPACITY)
            break;
            // CASE3: 进行table扩容
        else if (tab == table) {
            int rs = resizeStamp(n);    // 根据容量n生成一个随机数,唯一标识本次扩容操作
            if (sc < 0) {               // sc < 0 表明此时有别的线程正在进行扩容
                Node<K, V>[] nt;

                // 如果当前线程无法协助进行数据转移, 则退出
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
                    sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
                    transferIndex <= 0)
                    break;

                // 协助数据转移, 把正在执行transfer任务的线程数加1
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                    transfer(tab, nt);
            }
            // sc置为负数, 当前线程自身成为第一个执行transfer(数据转移)的线程
            // 这个CAS操作可以保证,仅有一个线程会执行扩容
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                transfer(tab, null);
        }
    }
}

前两个分支没什么好说的,看下注释很容易理解,关键看第三个分支 —— CASE3:进行table扩容
CASE3其实分为两种情况:

  1. 已经有其它线程正在执行扩容了,则当前线程会尝试协助“数据迁移”;(多线程并发)
  2. 没有其它线程正在执行扩容,则当前线程自身发起扩容。(单线程)

注意:这两种情况都是调用了transfer方法,通过第二个入参nextTab进行区分(nextTab表示扩容后的新table数组,如果为null,表示首次发起扩容)。
第二种情况下,是通过CAS和移位运算来保证仅有一个线程能发起扩容。

二、扩容的原理

我们来看下transfer方法,这个方法可以被多个线程同时调用,也是“数据迁移”的核心操作方法:

/**
 * 数据转移和扩容.
 * 每个调用tranfer的线程会对当前旧table中[transferIndex-stride, transferIndex-1]位置的结点进行迁移
 *
 * @param tab     旧table数组
 * @param nextTab 新table数组
 */
private final void transfer(Node<K, V>[] tab, Node<K, V>[] nextTab) {
    int n = tab.length, stride;

    // stride可理解成“步长”,即数据迁移时,每个线程要负责旧table中的多少个桶
    if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
        stride = MIN_TRANSFER_STRIDE;

    if (nextTab == null) {           // 首次扩容
        try {
            // 创建新table数组
            Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n << 1];
            nextTab = nt;
        } catch (Throwable ex) {      // 处理内存溢出(OOME)的情况
            sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        nextTable = nextTab;
        transferIndex = n;          // [transferIndex-stride, transferIndex-1]表示当前线程要进行数据迁移的桶区间
    }

    int nextn = nextTab.length;

    // ForwardingNode结点,当旧table的某个桶中的所有结点都迁移完后,用该结点占据这个桶
    ForwardingNode<K, V> fwd = new ForwardingNode<K, V>(nextTab);

    // 标识一个桶的迁移工作是否完成,advance == true 表示可以进行下一个位置的迁移
    boolean advance = true;

    // 最后一个数据迁移的线程将该值置为true,并进行本轮扩容的收尾工作
    boolean finishing = false;

    // i标识桶索引, bound标识边界
    for (int i = 0, bound = 0; ; ) {
        Node<K, V> f;
        int fh;

        // 每一次自旋前的预处理,主要是定位本轮处理的桶区间
        // 正常情况下,预处理完成后:i == transferIndex-1,bound == transferIndex-stride
        while (advance) {
            int nextIndex, nextBound;
            if (--i >= bound || finishing)
                advance = false;
            else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
                i = -1;
                advance = false;
            } else if (U.compareAndSwapInt(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                nextBound = (nextIndex > stride ? nextIndex - stride : 0))) {
                bound = nextBound;
                i = nextIndex - 1;
                advance = false;
            }
        }

        if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {    // CASE1:当前是处理最后一个tranfer任务的线程或出现扩容冲突
            int sc;
            if (finishing) {    // 所有桶迁移均已完成
                nextTable = null;
                table = nextTab;
                sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
                return;
            }

            // 扩容线程数减1,表示当前线程已完成自己的transfer任务
            if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
                // 判断当前线程是否是本轮扩容中的最后一个线程,如果不是,则直接退出
                if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                    return;
                finishing = advance = true;

                /**
                 * 最后一个数据迁移线程要重新检查一次旧table中的所有桶,看是否都被正确迁移到新table了:
                 * ①正常情况下,重新检查时,旧table的所有桶都应该是ForwardingNode;
                 * ②特殊情况下,比如扩容冲突(多个线程申请到了同一个transfer任务),此时当前线程领取的任务会作废,那么最后检查时,
                 * 还要处理因为作废而没有被迁移的桶,把它们正确迁移到新table中
                 */
                i = n; // recheck before commit
            }
        } else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)     // CASE2:旧桶本身为null,不用迁移,直接尝试放一个ForwardingNode
            advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
        else if ((fh = f.hash) == MOVED)            // CASE3:该旧桶已经迁移完成,直接跳过
            advance = true;
        else {                                      // CASE4:该旧桶未迁移完成,进行数据迁移
            synchronized (f) {
                if (tabAt(tab, i) == f) {
                    Node<K, V> ln, hn;
                    if (fh >= 0) {                  // CASE4.1:桶的hash>0,说明是链表迁移

                        /**
                         * 下面的过程会将旧桶中的链表分成两部分:ln链和hn链
                         * ln链会插入到新table的槽i中,hn链会插入到新table的槽i+n中
                         */
                        int runBit = fh & n;    // 由于n是2的幂次,所以runBit要么是0,要么高位是1
                        Node<K, V> lastRun = f; // lastRun指向最后一个相邻runBit不同的结点
                        for (Node<K, V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
                            int b = p.hash & n;
                            if (b != runBit) {
                                runBit = b;
                                lastRun = p;
                            }
                        }
                        if (runBit == 0) {
                            ln = lastRun;
                            hn = null;
                        } else {
                            hn = lastRun;
                            ln = null;
                        }

                        // 以lastRun所指向的结点为分界,将链表拆成2个子链表ln、hn
                        for (Node<K, V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
                            int ph = p.hash;
                            K pk = p.key;
                            V pv = p.val;
                            if ((ph & n) == 0)
                                ln = new Node<K, V>(ph, pk, pv, ln);
                            else
                                hn = new Node<K, V>(ph, pk, pv, hn);
                        }
                        setTabAt(nextTab, i, ln);               // ln链表存入新桶的索引i位置
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);        // hn链表存入新桶的索引i+n位置
                        setTabAt(tab, i, fwd);                  // 设置ForwardingNode占位
                        advance = true;                         // 表示当前旧桶的结点已迁移完毕
                    }
                    else if (f instanceof TreeBin) {    // CASE4.2:红黑树迁移

                        /**
                         * 下面的过程会先以链表方式遍历,复制所有结点,然后根据高低位组装成两个链表;
                         * 然后看下是否需要进行红黑树转换,最后放到新table对应的桶中
                         */
                        TreeBin<K, V> t = (TreeBin<K, V>) f;
                        TreeNode<K, V> lo = null, loTail = null;
                        TreeNode<K, V> hi = null, hiTail = null;
                        int lc = 0, hc = 0;
                        for (Node<K, V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
                            int h = e.hash;
                            TreeNode<K, V> p = new TreeNode<K, V>
                                (h, e.key, e.val, null, null);
                            if ((h & n) == 0) {
                                if ((p.prev = loTail) == null)
                                    lo = p;
                                else
                                    loTail.next = p;
                                loTail = p;
                                ++lc;
                            } else {
                                if ((p.prev = hiTail) == null)
                                    hi = p;
                                else
                                    hiTail.next = p;
                                hiTail = p;
                                ++hc;
                            }
                        }

                        // 判断是否需要进行 红黑树 <-> 链表 的转换
                         ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
                            (hc != 0) ? new TreeBin<K, V>(lo) : t;
                        hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
                            (lc != 0) ? new TreeBin<K, V>(hi) : t;
                        setTabAt(nextTab, i, ln);
                        setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                        setTabAt(tab, i, fwd);  // 设置ForwardingNode占位
                        advance = true;         // 表示当前旧桶的结点已迁移完毕
                    }
                }
            }
        }
    }
}

tranfer方法的开头,会计算出一个stride变量的值,这个stride其实就是每个线程处理的桶区间,也就是步长:

// stride可理解成“步长”,即数据迁移时,每个线程要负责旧table中的多少个桶
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
    stride = MIN_TRANSFER_STRIDE;

首次扩容时,会将table数组变成原来的2倍:

if (nextTab == null) {           // 首次扩容
    try {
        // 创建新table数组
        Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n << 1];
        nextTab = nt;
    } catch (Throwable ex) {      // 处理内存溢出(OOME)的情况
        sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }
    nextTable = nextTab;
    transferIndex = n;          // [transferIndex-stride, transferIndex-1]表示当前线程要进行数据迁移的桶区间
}

注意上面的transferIndex变量,这是一个字段,table[transferIndex-stride, transferIndex-1]就是当前线程要进行数据迁移的桶区间:

/**
 * 扩容时需要用到的一个下标变量.
 */
private transient volatile int transferIndex;

整个transfer方法几乎都在一个自旋操作中完成,从右往左开始进行数据迁移,transfer的退出点是当某个线程处理完最后的table区段——table[0,stride-1]

transfer方法主要包含4个分支,即对4种不同情况进行处理,我们按照难易程度来解释下各个分支所做的事情:

CASE2:桶table[i]为空

当旧table的桶table[i] == null,说明原来这个桶就没有数据,那就直接尝试放置一个ForwardingNode,表示这个桶已经处理完成。

else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)     // CASE2:旧桶本身为null,不用迁移,直接尝试放一个ForwardingNode
    advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);

注:ForwardingNode我们在上一篇提到过,主要做占用位,多线程进行数据迁移时,其它线程看到这个桶中是ForwardingNode结点,就知道有线程已经在数据迁移了。
另外,当最后一个线程完成迁移任务后,会遍历所有桶,看看是否都是ForwardingNode,如果是,那么说明整个扩容/数据迁移的过程就完成了。

CASE3:桶table[i]已迁移完成

没什么好说的,就是桶已经用ForwardingNode结点占用了,表示该桶的数据都迁移完了。

else if ((fh = f.hash) == MOVED)            // CASE3:该旧桶已经迁移完成,直接跳过
    advance = true;

CASE4:桶table[i]未迁移完成

如果旧桶的数据未迁移完成,就要进行迁移,这里根据桶中结点的类型分为:链表迁移、红黑树迁移。

①链表迁移

链表迁移的过程如下,首先会遍历一遍原链表,找到最后一个相邻runBit不同的结点。
runbit是根据key.hash和旧table长度n进行与运算得到的值,由于table的长度为2的幂次,所以runbit只可能为0或最高位为1

然后,会进行第二次链表遍历,按照第一次遍历找到的结点为界,将原链表分成2个子链表,再链接到新table的槽中。可以看到,新table的索引要么是i,要么是i+n,这里就利用了上一节说的ConcurrentHashMap的rehash特点。

if (fh >= 0) {                  // CASE4.1:桶的hash>0,说明是链表迁移
    /**
     * 下面的过程会将旧桶中的链表分成两部分:ln链和hn链
     * ln链会插入到新table的槽i中,hn链会插入到新table的槽i+n中
     */
    int runBit = fh & n;    // 由于n是2的幂次,所以runBit要么是0,要么高位是1
    Node<K, V> lastRun = f; // lastRun指向最后一个相邻runBit不同的结点
    for (Node<K, V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
        int b = p.hash & n;
        if (b != runBit) {
            runBit = b;
            lastRun = p;
        }
    }
    if (runBit == 0) {
        ln = lastRun;
        hn = null;
    } else {
        hn = lastRun;
        ln = null;
    }

    // 以lastRun所指向的结点为分界,将链表拆成2个子链表ln、hn
    for (Node<K, V> p = f; p != lastRun; p = p.next) {
        int ph = p.hash;
        K pk = p.key;
        V pv = p.val;
        if ((ph & n) == 0)
            ln = new Node<K, V>(ph, pk, pv, ln);
        else
            hn = new Node<K, V>(ph, pk, pv, hn);
    }
    setTabAt(nextTab, i, ln);               // ln链表存入新桶的索引i位置
    setTabAt(nextTab, i + n, hn);        // hn链表存入新桶的索引i+n位置
    setTabAt(tab, i, fwd);                  // 设置ForwardingNode占位
    advance = true;                         // 表示当前旧桶的结点已迁移完毕
}

②红黑树迁移

红黑树的迁移按照链表遍历的方式进行,当链表结点超过/小于阈值时,涉及红黑树<->链表的相互转换:

else if (f instanceof TreeBin) {    // CASE4.2:红黑树迁移
    /**
     * 下面的过程会先以链表方式遍历,复制所有结点,然后根据高低位组装成两个链表;
     * 然后看下是否需要进行红黑树转换,最后放到新table对应的桶中
     */
    TreeBin<K, V> t = (TreeBin<K, V>) f;
    TreeNode<K, V> lo = null, loTail = null;
    TreeNode<K, V> hi = null, hiTail = null;
    int lc = 0, hc = 0;
    for (Node<K, V> e = t.first; e != null; e = e.next) {
        int h = e.hash;
        TreeNode<K, V> p = new TreeNode<K, V>
            (h, e.key, e.val, null, null);
        if ((h & n) == 0) {
            if ((p.prev = loTail) == null)
                lo = p;
            else
                loTail.next = p;
            loTail = p;
            ++lc;
        } else {
            if ((p.prev = hiTail) == null)
                hi = p;
            else
                hiTail.next = p;
            hiTail = p;
            ++hc;
        }
    }

    // 判断是否需要进行 红黑树 <-> 链表 的转换
     ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
        (hc != 0) ? new TreeBin<K, V>(lo) : t;
    hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
        (lc != 0) ? new TreeBin<K, V>(hi) : t;
    setTabAt(nextTab, i, ln);
    setTabAt(nextTab, i + n, hn);
    setTabAt(tab, i, fwd);  // 设置ForwardingNode占位
    advance = true;         // 表示当前旧桶的结点已迁移完毕
}

CASE1:当前是最后一个迁移任务或出现扩容冲突

我们刚才说了,调用transfer的线程会自动领用某个区段的桶,进行数据迁移操作,当区段的初始索引i变成负数的时候,说明当前线程处理的其实就是最后剩下的桶,并且处理完了。

所以首先会更新sizeCtl变量,将扩容线程数减1,然后会做一些收尾工作:
设置table指向扩容后的新数组,遍历一遍旧数组,确保每个桶的数据都迁移完成——被ForwardingNode占用。

另外,可能在扩容过程中,出现扩容冲突的情况,比如多个线程领用了同一区段的桶,这时任何一个线程都不能进行数据迁移。

if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {    // CASE1:当前是处理最后一个tranfer任务的线程或出现扩容冲突
    int sc;
    if (finishing) {    // 所有桶迁移均已完成
        nextTable = null;
        table = nextTab;
        sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
        return;
    }

    // 扩容线程数减1,表示当前线程已完成自己的transfer任务
    if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
        // 判断当前线程是否是本轮扩容中的最后一个线程,如果不是,则直接退出
        if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
            return;
        finishing = advance = true;

        /**
         * 最后一个数据迁移线程要重新检查一次旧table中的所有桶,看是否都被正确迁移到新table了:
         * ①正常情况下,重新检查时,旧table的所有桶都应该是ForwardingNode;
         * ②特殊情况下,比如扩容冲突(多个线程申请到了同一个transfer任务),此时当前线程领取的任务会作废,那么最后检查时,
         * 还要处理因为作废而没有被迁移的桶,把它们正确迁移到新table中
         */
        i = n; // recheck before commit
    }
}
正文到此结束
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