【JUC源码】并发容器：ConcurrentHashMap（三）扩容源码分析

ゝ一纸荒年。 2022-10-31 12:21 227阅读 0赞

> ConcurrentHashMap 系列：
> 
>  *  [【JUC源码】并发容器：ConcurrentHashMap（一）底层结构分析][JUC_ConcurrentHashMap]
>  *  [【JUC源码】并发容器：ConcurrentHashMap（二）添加元素及树化源码分析][JUC_ConcurrentHashMap 1]
>  *  [【JUC源码】并发容器：ConcurrentHashMap（三）扩容源码分析][JUC_ConcurrentHashMap 2]
>  *  [【JUC源码】并发容器：ConcurrentHashMap（四）获取 value 源码分析][JUC_ConcurrentHashMap_ value]
>  *  [【JUC源码】并发容器：关于 ConcurrentHashMap 的几个问题][JUC_ ConcurrentHashMap]

## 1.扩容校验：addCount() ##

当插入结束的时候，会调用该方法，并传入一个 1 和 binCount 参数。从方法名字上，该方法应该是对哈希表的元素进行计数的。addCount 会对 table 的长度加一，然后判断是否需要扩容：

*  如果 table 太小，开始扩容（transfer）
 *  若已经在扩容了，则会协助扩容（helpTransfer）并 check

// 数组使用位置++
        // 入参：x 表示新使用位置的个数   check 表示具体添加的元素个数，用于校验是否需要扩容
        private final void addCount(long x, int check) {
        
            CounterCell[] as; long b, s;
            // 如果计数盒子不是空或着修改 baseCount 失败
            if ((as = counterCells) != null ||
                !U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
        
                CounterCell a; long v; int m;
                boolean uncontended = true;
                
                if (as == null || // 如果计数盒子时空（尚未出现并发）
                	(m = as.length - 1) < 0 || (a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null || // 如果随机取余一个数组位置为空
                    !(uncontended = U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
         // 修改这个槽位的变量失败了（出现并发了）
                    
                    // 执行fullAddCount方法，并结束
                    fullAddCount(x, uncontended);
                    return;
                }
                if (check <= 1)
                    return;
                s = sumCount();
            }
            // 如果需要检查，检查是否需要扩容，在 putVal 方法调用时，默认就是要检查的
            if (check >= 0) {
        
                Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
                // 如果 map.size()大于 sizeCtl（即达到扩容阈值）&& table非空 && table 长度小于最大容量
                while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
                       (n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
        
                    // 根据 length 得到一个标识
                    int rs = resizeStamp(n);
                    // sc小于0代表有线程在扩容
                    if (sc < 0) {
        
                        if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || // 如果 sc 的低 16 位不等于标识符（sizeCtl 变化了）
                        	sc == rs + 1 || // 如果 sc == 标识符 + 1 （扩容结束了，不再有线程进行扩容）（默认第一个线程设置 sc ==rs 左移 16 位 + 2，当第一个线程结束扩容了，就会将 sc 减一。这个时候，sc 就等于 rs + 1）
                            sc == rs + MAX_RESIZERS || // 如果 sc == 标识符 + 65535（帮助线程数已经达到最大）
                            (nt = nextTable) == null || // 如果 nextTable == null（结束扩容了）
                            transferIndex <= 0) // 如果 transferIndex <= 0 (转移状态变化了)
                            break;
    					// 如果可以帮助扩容，那么将 sc 加 1. 表示多了一个线程在帮助扩容
                        if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
                            transfer(tab, nt);
                    }
                    else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, (rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
                    	// 更新 sizeCtl 为负数后，开始扩容。
                        transfer(tab, null); 
                    s = sumCount();
                }
            }
        }

总结一下该方法的逻辑：

x 参数表示的此次需要对表中元素的个数加几。check 参数表示是否需要进行扩容检查，大于等于0 需要进行检查，而我们的 putVal 方法的 binCount 参数最小也是 0 ，因此，每次添加元素都会进行检查。（除非是覆盖操作）

1.  判断计数盒子属性是否是空，如果是空，就尝试修改 baseCount 变量，对该变量进行加 X。
2.  如果计数盒子不是空，或者修改 baseCount 变量失败了，则放弃对 baseCount 进行操作。
3.  如果计数盒子是 null 或者计数盒子的 length 是 0，或者随机取一个位置取于数组长度是 null，那么就对刚刚的元素进行 CAS 赋值。
4.  如果赋值失败，或者满足上面的条件，则调用 fullAddCount 方法重新死循环插入。
5.  这里如果操作 baseCount 失败了（或者计数盒子不是 Null），且对计数盒子赋值成功，那么就检查 check 变量，如果该变量小于等于 1. 直接结束。否则，计算一下 count 变量。
6.  如果 check 大于等于 0 ，说明需要对是否扩容进行检查。
7.  如果 map 的 size 大于 sizeCtl（扩容阈值），且 table 的长度小于 1 << 30，那么就进行扩容。
8.  根据 length 得到一个标识符，然后，判断 sizeCtl 状态，如果小于 0 ，说明要么在初始化，要么在扩容。
9.  如果正在扩容，那么就校验一下数据是否变化了（具体可以看上面代码的注释）。如果检验数据不通过，break。
10. 如果校验数据通过了，那么将 sizeCtl 加一，表示多了一个线程帮助扩容。然后进行扩容。
11. 如果没有在扩容，但是需要扩容。那么就将 sizeCtl 更新，赋值为标识符左移 16 位 —— 一个负数。然后加 2。 表示，已经有一个线程开始扩容了。然后进行扩容。然后再次更新 count，看看是否还需要扩容。

## 2.执行扩容：transfer() ##

扩容主要分三步，第一新建新的空数组，第二步创建 ForwardingNode，第三步移动(拷贝)每个元素到新数组中去：

1.  根据当前数组长度n，新建一个**两倍**长度的数组 nextTable
2.  初始化 ForwardingNode 节点，其中保存了新数组 nextTable 的引用，在处理完每个槽位的节点之后当做占位节点，表示该槽位已经处理过了；
3.  通过 for 自循环处理每个槽位中的链表元素，主要分为以下两步：
    
    1.  while（advance）控制要拷贝的槽点位置
        
         *  根据stride为参与扩容的线程分配扩容槽点，实现线程协作
         *  从数组的**队尾**开始移动。比如现在容量是16，那么会从索引为15的槽点进行操作
    2.  执行具体的扩容逻辑，具体分为以下四种情况：
        
         *  情况一：拷贝完成，则将 table=nextTab，返回
         *  情况二：原槽点为空，将原槽点置为 fwd
         *  情况三：原槽点已经拷贝完（fwd），直接跳过（advance=true）
         *  情况四：原槽点无以上情况，表示是一个未处理槽点。无论是链表还是红黑树，拷贝的大方向都是分成 highNode 和 lowNode两部分，但在细节上不同。
            
             *  链表（特征：fh>=0)：
                
                 *  通过 fn&n 将链表元素分成两类，一类是hash值的第X位为1（放在hn链），另一类是hash值的第X位为0（放在ln链），
                 *  用lastRun记录最后要处理的节点（目的是减少遍历次数），找lastRun时需要通过遍历  
                    ![在这里插入图片描述][2020092622165639.png_pic_center]  
                    如图1/2/3/5是highNode，4/6/7/8是lowNode。而lastRun是第6个节点，所以在拉链时6/7/8直接连接在ln就行，起到了优化的作用。
                 *  对hn和ln拉链，然后分别放置于新数组的 i、i+n 槽点
                 *  最后，待全部拷贝完后将老数组的该槽点置为 ForwardingNode
             *  红黑树: 类似 hashMap

// tab：原数组，nextTab：新数组
    private final void transfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V>[] nextTab) {
        
        // 老数组的长度
        int n = tab.length, stride;
        // 根据长度和CPU的数量计算步长，最小是16
        if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
            stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; 
    -----------------------------------------------------------------------------------        
        // 1.如果新数组为空，初始化，大小为原数组的两倍，n << 1
        if (nextTab == null) {
                  
            try {
        
                @SuppressWarnings("unchecked")
                // 新数组的大小为原来的2倍
                Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n << 1];
                // 将初始化好的新数组赋给传进来的nextTab
                nextTab = nt; 
            } catch (Throwable ex) {
              // try to cope with OOME
                sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
                return;
            }
            // 再将nextTab赋给成员变量nextTable表示扩容后的数组
            nextTable = nextTab;
            transferIndex = n;
        }
        // 新数组的长度
        int nextn = nextTab.length;
    -----------------------------------------------------------------------------------
        // 2.初始化ForwardingNode节点（Hash值为MOVED的节点），其中保存了新数组nextTable的引用
        // 在处理完每个槽位的节点之后当做占位节点，表示该槽位已经处理过了
        ForwardingNode<K,V> fwd = new ForwardingNode<K,V>(nextTab);
        boolean advance = true;
        boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab
    -----------------------------------------------------------------------------------    
        // 3.通过for自旋处理每个槽位中的链表元素
        for (int i = 0, bound = 0;;) {
        
            Node<K,V> f; int fh;
            // 3.1 控制i的改变，advance默认为true
            while (advance) {
        
                int nextIndex, nextBound;
                // 结束循环的标志
                if (--i >= bound || finishing)
                    advance = false;
                // 已经拷贝完成
                else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
        
                    i = -1;
                    advance = false;
                }
                // 通过CAS设置transferIndex，并初始化 i 和 bound
                else if (U.compareAndSwapInt
                         (this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
                          nextBound = (nextIndex > stride ?
                                       nextIndex - stride : 0))) {
        
                    bound = nextBound; // bound 是需要处理的槽位边界
                    i = nextIndex - 1; // i 是当前处理的槽位序号，先处理最大槽位（比如15），然后再i--
                    advance = false;
                }
            }
    -----------------------------------------------------------------------------------   
            
            // 3.2 执行具体的扩容逻辑
            // 情况一：任意条件满足说明拷贝结束了
            if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
        
                int sc;
                /**
                * 拷贝结束直接赋值，因为每次拷贝完一个节点，都在原数组上放转移节点，所以拷贝完成的节点的数据一定不会再发生变化。
                * 原数组发现是转移节点，是不会操作的，会一直等待转移节点消失之后在进行操作。也就是说数组节点一旦被标记为转移节点，
                * 是不会再发生任何变动的，所以不会有任何线程安全的问题，即此处直接赋值，没有任何问题。
                */
                if (finishing) {
        
                    nextTable = null; // 可以看出在扩容的时候nextTable只是类似于一个temp用完会丢掉
                    table = nextTab;  // 修改全局table
                    sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1); // 修改扩容后的阀值，2n-0.5n=1.5n，即现在扩容后容量的0.75倍
                    return;
                }
    
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
        
                    if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
                        return;
                    finishing = advance = true;
                    i = n; // recheck before commit
                }
            }
            // 情况二：当前槽点是 null，则插入上面的 ForwardingNode，表示告诉其他线程该槽点已经处理过了
            // 注：实际上是该槽点没东西，就根本没做操作
            else if ((f = tabAt(tab, i)) == null)
                advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
            // 情况三：当前节点是ForwardingNode，表示已经处理过，直接跳过（advance=true）
            else if ((fh = f.hash) == MOVED) 
                advance = true; // already processed
            // 情况四：没处理过的节点，即将进行节点拷贝
            else {
        
                // 锁住原数组的当前槽点
                synchronized (f) {
        
                    // double-check:CAS校验这个节点是否在table对应的i处
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
        
                        // 将原来槽点的分成两部分，lowNode highNode
                        Node<K,V> ln, hn;
                        // 拷贝的情况一：从当前节点hash值>=0推出当前槽点上普通Node
                        if (fh >= 0) {
        
                            // 1.fn&n可以把链表中的元素区分成两类，A类是hash值第X位为0，B类是hash值第X位为1
                            int runBit = fh & n;
                            -----------------------------------------------------------------------------------
                            // 2.lastRun用来保存最后需要处理的节点，即最后一个high/lowNode+1的Node
                            // 若链表只有一个节点，则lastRun就等于f
                            // 按理说直接在hn和ln后面拉链就行，但通过lastRun可以不用遍历所有结点，属于一个优化的感觉
                            Node<K,V> lastRun = f;
                            
                            // 2.1 通过for循环，寻找lastRun
                            for (Node<K,V> p = f.next; p != null; p = p.next) {
        
                                int b = p.hash & n;
                                // 通过b记录最后要处理的节点是lowNode还是highNode
                                if (b != runBit) {
        
                                    runBit = b;
                                    lastRun = p;
                                }
                            }
                            // 2.2 判断最后要处理的节点是highNode还是lowNode
                            // 若runBit=0，则最后要处理的是lowNode
                            if (runBit == 0) {
        
                                ln = lastRun;
                                hn = null;
                            } 
                            else {
        
                                hn = lastRun;
                                ln = null;
                            }
                            -----------------------------------------------------------------------------------
                            // 3.执行hn和ln的拉链操作，可以看到循环结束条件就是lastRun
                            // ZHU :如果节点只有单个数据，直接拷贝，如果是链表，循环多次组成链表拷贝
                            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)
                                    // 连接low链
                                    ln = new Node<K,V>(ph, pk, pv, ln);
                                else
                                    // 连接high链
                                    hn = new Node<K,V>(ph, pk, pv, hn);
                            }
                            // 在新数组位置上放置拷贝的值。种类同hashMap一样，放置位有两个，分别为 i，i+n（n是老数组长度）
                            setTabAt(nextTab, i, ln);
                            setTabAt(nextTab, i + n, hn);
                            
                            // 4.在老数组的当前槽点放上 ForwardingNode，标识已经别处理过
                            setTabAt(tab, i, fwd);
                            advance = true;
                        }
                        // 拷贝的情况二：红黑树的拷贝
                        else if (f instanceof TreeBin) {
        
                            // 红黑树的拷贝工作，同 HashMap 的内容，代码忽略
                            //......
                            // 在老数组位置上放上 ForwardingNode 节点
                            setTabAt(tab, i, fwd);
                            advance = true;
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

扩容中的关键点，就是如何保证是线程安全的，小结有如下几点：

*  拷贝顺序：从尾到头进行拷贝，拷贝成功就把原数组的槽点设置成转移节点。
 *  拷贝槽点时：会把原数组的槽点锁住；
 *  单个槽点拷贝成功后：会把原数组的槽点设置成转移节点，这样如果有数据需要 put 到该节点时，发现该槽点是转移节点，会一直等待，直到扩容成功之后，才能继续 put，可以参考 put 方法中的 helpTransfer 方法；
 *  扩容拷贝都完成后：直接把新数组的值赋值给数组容器，之前等待 put 的数据才能继续 put。

扩容方法还是很有意思的，通过在原数组上设置转移节点，put 时碰到转移节点时会等待扩容成功之后才能 put 的策略，来保证了整个扩容过程中肯定是线程安全的，因为数组的槽点一旦被设置成转移节点，在没有扩容完成之前，是加了锁无法进行操作的。

另外，当有线程来协助扩容了，因为加锁，已经在扩容移动着的槽点也不会被影响。

## 3.协助扩容：helpTransfer() ##

当一个线程要对当前槽点进行put操作，但该槽点已经被置为 forwardingNode，即该节点已经被拷贝处理过了，需等到全部槽点完成拷贝拷贝才能进行 put。因此，在这段等待时间内该线程会 helpTransfer（协助扩容)

final Node<K,V>[] helpTransfer(Node<K,V>[] tab, Node<K,V> f) {
        
        Node<K,V>[] nextTab; int sc;
        
        // 尝试帮助扩容判断
        if (tab != null &&  // 如果 table 不是空 
         (f instanceof ForwardingNode) && // 且 node 节点是转移类型，数据检验
            (nextTab = ((ForwardingNode<K,V>)f).nextTable) != null) {
         // 且 node 节点的 nextTable（新 table） 不是空，同样也是数据校验
            // 根据 length 得到一个标识符号
            int rs = resizeStamp(tab.length);
            
            while (nextTab == nextTable && // 如果 nextTab 没有被并发修改 
             table == tab && 			   // 且 tab 也没有被并发修改
                   (sc = sizeCtl) < 0) {
           // 且 sizeCtl  < 0 （说明还在扩容）
    
                if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || // 如果 sizeCtl 无符号右移  16 不等于 rs （ sc前 16 位如果不等于标识符，则标识符变化了）
                 sc == rs + 1 || // 或者 sizeCtl == rs + 1  （扩容结束了，不再有线程进行扩容）（默认第一个线程设置 sc ==rs 左移 16 位 + 2，当第一个线程结束扩容了，就会将 sc 减一。这个时候，sc 就等于 rs + 1）
                    sc == rs + MAX_RESIZERS ||  // 或者 sizeCtl == rs + 65535  （如果达到最大帮助线程的数量，即 65535）
                     transferIndex <= 0) // 或者转移下标正在调整 （扩容结束）
                    // 结束循环，返回 table
                    break;
                // 如果以上都不是, 将 sizeCtl + 1, （表示增加了一个线程帮助其扩容）
                if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1)) {
        
                    // 进行转移
                    transfer(tab, nextTab);
                    // 结束循环
                    break;
                }
            }
            return nextTab;
        }
        return table;
    }

这里再放一个[参考链接][Link 1]…

[JUC_ConcurrentHashMap]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/108810815
[JUC_ConcurrentHashMap 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/113943932
[JUC_ConcurrentHashMap 2]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/113945436
[JUC_ConcurrentHashMap_ value]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/113950339
[JUC_ ConcurrentHashMap]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/108819013
[2020092622165639.png_pic_center]: /images/20221024/d7dd36f701ed4f6f8b66857297b363d5.png
[Link 1]: https://www.jianshu.com/p/39b747c99d32