HashMap与ConcurrentHashMap原理要点

JDK7:数组+链表

JDK8:数组+链表+红黑树(看过源码的同学应该知道JDK8中即使用了单向链表,也使用了双向链表,双向链表主要是为了链表操作方便,应该在插入,扩容,链表转红黑树,红黑树转链表的过程中都要操作链表)

JDK8中的HashMap为什么要使用红黑树?

当元素个数小于一个阈值时,链表整体的插入查询效率要高于红黑树,当元素个数大于此阈值时,链表整体的插入查询效率要低于红黑树。此阈值在HashMap中为8

JDK8中的HashMap什么时候将链表转化为红黑树?

大部分答案就是:当链表中的元素个数大于8时就会把链表转化为红黑树。

但是其实 还有另外一个限制 :当发现链表中的元素个数大于8之后,还会判断一下当前数组的长度,如果数组长度小于64时,此时并不会转化为红黑树,而是进行扩容。 只有当链表中的元素个数大于8,并且数组的长度大于等于64时才会将链表转为红黑树

上面扩容的原因是,如果数组长度还比较小,就先利用扩容来缩小链表的长度。

JDK8中HashMap的put方法的实现过程?

  1. 根据key生成hashcode
  2. 判断当前HashMap对象中的数组是否为空,如果为空则初始化该数组
  3. 根据逻辑与运算,算出hashcode基于当前数组对应的数组下标i
  4. 判断数组的第i个位置的元素(tab[i])是否为空
  • a.如果为空,则将key,value封装为Node对象赋值给tab[i]
  • b.如果不为空:
    • 如果put方法传入进来的key等于tab[i].key,那么证明存在相同的key
    • 如果不等于tab[i].key,则:
      • 如果tab[i]的类型是TreeNode,则表示数组的第i位置上是一颗红黑树,那么将key和value插入到红黑树中,并且在插入之前会判断在红黑树中是否存在相同的key
      • 如果tab[i]的类型不是TreeNode,则表示数组的第i位置上是一个链表,那么遍历链表寻找是否存在相同的key,并且在遍历的过程中会对链表中的结点数进行计数,当遍历到最后一个结点时,会将key,value封装为Node插入到链表的尾部,同时判断在插入新结点之前的链表结点个数是不是大于等于8,如果是,则将链表改为红黑树。
    • 如果上述步骤中发现存在相同的key,则根据onlyIfAbsent标记来判断是否需要更新value值,然后返回oldValue
  1. modCount++
  2. HashMap的元素个数size加1
  3. 如果size大于扩容的阈值,则进行扩容

JDK8中HashMap的get方法的实现过程

  1. 根据key生成hashcode
  2. 如果数组为空,则直接返回空
  3. 如果数组不为空,则利用hashcode和数组长度通过逻辑与操作算出key所对应的数组下标i
  4. 如果数组的第i个位置上没有元素,则直接返回空
  5. 如果数组的第1个位上的元素的key等于get方法所传进来的key,则返回该元素,并获取该元素的value
  6. 如果不等于则判断该元素还有没有下一个元素,如果没有,返回空
  7. 如果有则判断该元素的类型是链表结点还是红黑树结点
  • a.如果是链表则遍历链表
  • b.如果是红黑树则遍历红黑树
  1. 找到即返回元素,没找到的则返回空

JDK7与JDK8中HashMap的不同点

  1. JDK8中使用了红黑树
  2. JDK7中链表的插入使用的头插法(扩容转移元素的时候也是使用的头插法,头插法速度更快,无需遍历链表,但是在多线程扩容的情况下使用头插法会出现循环链表的问题,导致CPU飙升),JDK8中链表使用的尾插法(JDK8中反正要去计算链表当前结点的个数,反正要遍历的链表的,所以直接使用尾插法)
  3. JDK7的Hash算法比JDK8中的更复杂,Hash算法越复杂,生成的hashcode则更散列,那么hashmap中的元素则更散列,更散列则hashmap的查询性能更好,JDK7中没有红黑树,所以只能优化Hash算法使得元素更散列,而JDK8中增加了红黑树,查询性能得到了保障,所以可以简化一下Hash算法,毕竟Hash算法越复杂就越消耗CPU
  4. 扩容的过程中JDK7中有可能会重新对key进行哈希(重新Hash跟哈希种子有关系),而JDK8中没有这部分逻辑
  5. JDK8中扩容的条件和JDK7中不一样,除开判断size是否大于阈值之外,JDK7中还判断了tab[i]是否为空,不为空的时候才会进行扩容,而JDK8中则没有该条件了
  6. JDK8中还多了一个API:putIfAbsent(key,value)
  7. JDK7和JDK8扩容过程中转移元素的逻辑不一样,JDK7是每次转移一个元素,JDK8是先算出来当前位置上哪些元素在新数组的低位上,哪些在新数组的高位上,然后在一次性转移

二、ConcurrentHashMap

JDK7中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全的?

主要利用Unsafe操作+ReentrantLock+分段思想。 主要使用了Unsafe操作中的:

  1. compareAndSwapObject:通过cas的方式修改对象的属性
  2. putOrderedObject:并发安全的给数组的某个位置赋值
  3. getObjectVolatile:并发安全的获取数组某个位置的元素

分段思想是为了提高ConcurrentHashMap的并发量,分段数越高则支持的最大并发量越高,程序员可以通过concurrencyLevel参数来指定并发量。ConcurrentHashMap的内部类Segment就是用来表示某一个段的。

每个Segment就是一个小型的HashMap的,当调用ConcurrentHashMap的put方法是,最终会调用到Segment的put方法,而Segment类继承了ReentrantLock,所以Segment自带可重入锁,当调用到Segment的put方法时,会先利用可重入锁加锁,加锁成功后再将待插入的key,value插入到小型HashMap中,插入完成后解锁。

JDK7中的ConcurrentHashMap的底层原理

ConcurrentHashMap底层是由两层嵌套数组来实现的:

  1. ConcurrentHashMap对象中有一个属性segments,类型为Segment[];
  2. Segment对象中有一个属性table,类型为HashEntry[];

当调用ConcurrentHashMap的put方法时,先根据key计算出对应的Segment[]的数组下标j,确定好当前key,value应该插入到哪个Segment对象中,如果segments[j]为空,则利用自旋锁的方式在j位置生成一个Segment对象。

然后调用Segment对象的put方法。

Segment对象的put方法会先加锁,然后也根据key计算出对应的HashEntry[]的数组下标i,然后将key,value封装为HashEntry对象放入该位置,此过程和JDK7的HashMap的put方法一样,然后解锁。

在加锁的过程中逻辑比较复杂,先通过自旋加锁,如果超过一定次数就会直接阻塞等等加锁。

JDK8中的ConcurrentHashMap是怎么保证并发安全的?

主要利用Unsafe操作+synchronized关键字。

Unsafe操作的使用仍然和JDK7中的类似,主要负责并发安全的修改对象的属性或数组某个位置的值。

synchronized主要负责在需要操作某个位置时进行加锁(该位置不为空),比如向某个位置的链表进行插入结点,向某个位置的红黑树插入结点。

JDK8中其实仍然有分段锁的思想,只不过JDK7中段数是可以控制的,而JDK8中是数组的每一个位置都有一把锁。 当向ConcurrentHashMap中put一个key,value时,

  1. 首先根据key计算对应的数组下标i,如果该位置没有元素,则通过自旋的方法去向该位置赋值。
  2. 如果该位置有元素,则synchronized会加锁
  3. 加锁成功之后,在判断该元素的类型
  • a.如果是链表节点则进行添加节点到链表中
  • b.如果是红黑树则添加节点到红黑树
  1. 添加成功后,判断是否需要进行树化
  2. addCount,这个方法的意思是ConcurrentHashMap的元素个数加1,但是这个操作也是需要并发安全的,并且元素个数加1成功后,会继续判断是否要进行扩容,如果需要,则会进行扩容,所以这个方法很重要。
  3. 同时一个线程在put时如果发现当前ConcurrentHashMap正在进行扩容则会去帮助扩容。
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