ConcurrentHashMap扩容逻辑(详细)

ConcurrentHashMap扩容逻辑(详细)

分为两步，校验是否需要扩容和扩容

校验需要扩容的流程：

• 计算出当前数组长度，根据长度判断大于扩容阀值 同时 小于最大扩容长度（1<<30）走以下逻辑
• 如果经历A模块（5个条件都不满足），则不扩容
• 如果有线程在扩容，可以帮助扩容（B模块），则sizeCtl+1后进行扩容
• 如果首次扩容（C模块），将扩容戳计算后赋值给sizeCtl后进行扩容

校验是否需要扩容的代码介绍：

   private final void addCount(long x, int check) {CounterCell[] as; long b, s;//这里就是使用longAdder分散热点的原理，不再多叙述if ((as = counterCells) != null ||!UpareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {CounterCell a; long v; int m;boolean uncontended = true;if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||(a = Probe() & m]) == null ||!(uncontended =UpareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {fullAddCount(x, uncontended);return;}if (check <= 1)return;//1.首先计算出当前数组长度s = sumCount();}//传进来check目的就是校验是否需要扩容，jdk8默认走这个校验逻辑if (check >= 0) {Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;//2.判断如果当前数组长度大于扩容阀值，并且不大于最大数组长度，走以下逻辑while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {//扩容戳int rs = resizeStamp(n);//A模块：如果不能扩容直接breakif (sc < 0) {if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||transferIndex <= 0)break;//B模块：如果可以帮助扩容，那就将sc+1，表示多了一个线程在扩容if (UpareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))transfer(tab, nt);}//C模块：首次扩容else if (UpareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))transfer(tab, null);s = sumCount();}}}

⭐️总共分为四个部分，扩容戳，和A B C三个模块，分别来讲解：

1)扩容戳：

为什么需要扩容戳？它有什么含义：

• 高 16 位代表当前扩容的标记，可以理解为一个纪元。
• 低 16 位代表了扩容的线程数。

流程：

• 计算当前数组长度非0位前面0的个数，与(1<<15)进行或运算，得到一个数进行返回
• 这个计算方式得出一个必然现象，计算出来的扩容戳一定是16位，同时第一位也是1

//传入旧数组的长度，计算出一个扩容戳
int rs = resizeStamp(n);//计算扩容戳的方法static final int resizeStamp(int n) {//例如 16 10000 那么int32位，前面就是27个0  那就是11011与10000 0000 0000 000进行或运算//得到10000 0000 0011011//因为16是最小的数组长度，所以最多就是27个0（因为数组长度肯定>=16）return Integer.numberOfLeadingZeros(n) | (1 << (RESIZE_STAMP_BITS - 1));}

2）C模块：首次扩容

流程：

• 将sizectl赋值为 扩容戳无符号左移动16位后+2，赋值给sizectl，进入到扩容逻辑

        else if (UpareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))transfer(tab, null);

这里需要了解，为什么是无符号左移后再+2？

根据刚才扩容戳的了解，高16位表示扩容标记，低16位表示扩容线程数，那么此时将扩容戳左移动之后，第一位符号位肯定是1，表示负数 (sizeCtl 为负数才代表扩容) 低16位此时全是0，+2就表示此时当前线程参与了此次扩容，线程数+1，但是为什么是+2不是+1呢？

原因是 sizeCtl 中 -1 这个数值已经被使用了，用来代替当前有线程准备扩容，所以如果直接 +1 是会和标志位发生冲突。只有初始化第一次记录扩容线程数的时候才需要 +2。

3）A模块：

流程：

• (sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs 这个条件实际上有 bug，在 JDK12 中已经换掉。
• sc == rs + 1 表示最后一个扩容线程正在工作，也代表扩容即将结束。
• sc == rs + MAX_RESIZERS （65535）表示当前已经达到最大扩容线程数，所以不能继续让线程加入扩容。
• nextTable 为null 表示扩容完成，不进行扩容
• transferIndex <= 0 表示当前可供扩容的下标已经全部分配完毕，也代表了当前线程扩容结束。

  if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||transferIndex <= 0)break;

4）B模块：帮助扩容

流程：

• 将sizeCtl+1后进行扩容，+1表示添加一个线程进行扩容

   if (UpareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))transfer(tab, nt);

5）扩容真正逻辑

流程（需要关注关键字段的含义）：

• 计算出当前线程扩容的步长（一个线程最小步长是16），赋值给stride
• 如果未创建新数组，就初始化新数组，是原数组的2倍，然后赋值给nextTable，并将旧数组长度赋值给transferIndex
• 根据transferIndex（总长度）和stride（步长）计算出此次线程需要扩容多少位数组下标，然后通过cas将transferIndex重新赋值（transferIndex-此次扩容的长度=剩余的需要扩容的长度），目的是需要其他线程看到是否需要帮助扩容，或者压根不用帮助
• 如果当前数组下标为空，直接将ForwardingNode通过cas赋值到当前扩容操作的数组下标这里，目的是让其他线程对当前数组下标进行put操作时感知当前下标正在扩容，不允许put，如果失败，重新自旋进入判断
• 如果当前数组下标不为空，先对当前数组下标加锁，进行copy操作（将旧数组下标的数据copy到新数组），copy如果完成后将fwd再赋值给旧数组节点，目的也是不允许其他线程put，直接对新数组进行操作
• 此次操作成功后，继续对下一个数组下标进行操作，直到完成数据迁移后，通过cas将sizeCtl-1，表示自己完成扩容。

这里乱七八糟的字段有点多，含义罗列一下：

• stride 步长，当前线程扩容涉及的数组长度

• transferIndex 需要扩容的数组长度（旧数组长度），动态变化的，在某个线程计算出扩容长度后，它会动态的变小，其他线程也会根据此字段判断是否需要继续进行扩容

• fwd 占位节点，如果线程A读取fwd所在数组下标的数据，线程B再对此下标进行copy或者扩容操作，线程A会暂停或者自旋重试获取数据

• i 当前需要扩容的数组下标，会动态变小（因为扩容是数组下标从后往前，所以i最大应该是旧数组总长度）

• advance 是否需要重新计算扩容的数组下标

• finishing 是否已完成全部的数据迁移

• bound 最后需要扩容的数组下标（所以扩容的总范围是nextBound～i ）

    private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {int n = tab.length, stride;//计算步长if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)stride = MIN_TRANSFER_STRIDE;//如果首次进行扩容，新数组肯定是空，进行初始化if (nextTab == null) {          try {@SuppressWarnings("unchecked")//创建一个2倍大小的数组，赋值给nextTableNode<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];nextTab = nt;} catch (Throwable ex) {    sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;return;}nextTable = nextTab;//同时transferIndex等于旧数组长度transferIndex = n;}int nextn = nextTab.length;//创建一个fwd节点，目的是扩容某个数组下标时需要赋值到原来的数组下标位置，让其他线程看到ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);boolean advance = true;boolean finishing = false; //这里for循环，目的就是一次只对一个数组下标进行扩容，直到扩容完成才退出for (int i = 0, bound = 0;;) {Node<K,V> f; int fh;//1.这里就是计算好当前扩容的总长度，必须先计算好长度才能进行扩容while (advance) {int nextIndex, nextBound;if (--i >= bound || finishing)advance = false;else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {i = -1;advance = false;}//这里比较关键，将transferIndex重新进行赋值，旧数组总长度-此次扩容的长度=剩余需要扩容的数组长度else if (UpareAndSwapInt(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,nextBound = (nextIndex > stride ?nextIndex - stride : 0))) {bound = nextBound;i = nextIndex - 1;advance = false;}}//走到这里，说明要么该扩容的扩容完了，要么不需要库容，走以下逻辑if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {int sc;//如果已经完成数据迁移if (finishing) {//将nextTable置空nextTable = null;//将新数组赋值给tabletable = nextTab;sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);return;}if (UpareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)return;finishing = advance = true;i = n; }}//2.将当前操作的数组下标赋值else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);else if ((fh = f.hash) == MOVED)advance = true;else {synchronized (f) {if (tabAt(tab, i) == f) {Node<K,V> ln, hn;if (fh >= 0) {int runBit = fh & n;Node<K,V> lastRun = f;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;}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);elsehn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);}setTabAt(nextTab, i, ln);setTabAt(nextTab, i + n, hn);setTabAt(tab, i, fwd);advance = true;}else if (f instanceof TreeBin) {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;loTail = p;++lc;}else {if ((p.prev = hiTail) == null)hi =  = p;hiTail = p;++hc;}}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);advance = true;}}}}}}

⭐️这里，copy的逻辑，需要单独拎出来讲讲：

流程：

• 首先对当前数组下标加锁，进行双重校验，旧数组下标的元素和hash未变动，正式开始copy操作
• 先遍历所有节点，通过runBit和lastRun找到最后相同的几个节点，进行标记（目的是减少new 对象的操作和赋值，直接将这几个元素copy到另外一个数组上去）
• 进行标记后，对链表头部元素到lastRun节点进行遍历，每个节点的hash值与数组长度进行与操作，如果结果为0存储到低位链表，如果结果为1存储到高位链表
• 直到遍历完毕后，低位链表的数组下标原封不变，到新数组，高位链表copy的数组下标为 旧数组下标+数组长度到新数组
• 最后，将旧数组下标的第一个元素改为fwd值，让其他线程感知到，不再put操作

 								synchronized (f) {//双端判断，首先确认拿到的到底是不是这个数组下标对象if (tabAt(tab, i) == f) {Node<K,V> ln, hn;//其次判断，当前数组下标hash值是不是大于0，也就是它必须是非扩容状态，才能进行扩容if (fh >= 0) {int runBit = fh & n;Node<K,V> lastRun = f;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;}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);elsehn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);}setTabAt(nextTab, i, ln);setTabAt(nextTab, i + n, hn);setTabAt(tab, i, fwd);advance = true;}                      }}