Java并发容器与框架的实现

一、ConcurrentHashMap 1.1 背景 多线程中，HashMap导致程序死循环（HashMap采用拉链法解决hash冲突，当链表大于了装载因子对应的最大容量，需要重新进行散列。问题发生在这里，多线程可能同时出发rehash，形成了链表的回路）；HashTable会阻塞其他线程，效率低下。ConccurentHashMap使用分段锁，把数据分段，每一段配一把锁。 1.2 结构 由Segment数组和HashEntry数组组成。Segment是一个ReentrantLock，当作锁。HashEntry用于存储键值对数据，是一个链表的结构。一个CHM里面有一个Segment数组，一个Segment里面有一个HashEntry数组。 1.3 操作 1.3.1 初始化：sengment数组、段偏移segmentShift、段掩码segmentMask

• 根据concurrencyLevel计算出segment数组长度ssize（一个大于等于concurrencyLevel的最小2的N次方的值）
• segmentShift等于32-N（1左移多少位等于ssize）
• segmentMask是ssize-1
• 默认的concurrencyLevel = 16，ssize=65536，segmentShift=32-4=28，segmentMask=65535

1.3.2 get操作：线程安全的，因为value和count字段都是volatile类型的

先对hashcode经过一次再散列（目的是减少冲突），然后使用散列值运算定位到Segment，再通过散列算法定位到具体的元素。

• 定位Segment使用的hash算法 hash >>> segmentShift & segmentMask
• 定位HashEntry使用的hash算法 int index = hash & (tab.length - 1)

1.3.3 put操作：需要对共享变量加锁

• 先定位到Segment，判断是否需要对Segment里main的HashEntry扩容（判断当前Segment里面的HashEntry数组是否超过阈值，超过的话，创建一个双倍容量的数组，把原来数组的元素再散列后装入新的数组），然后再定位需要添加到HashEntry的元素的位置。

1.3.4 size操作：统计整个CHM的元素大小

• 直接把所有segment的count相加，尝试加两次。比较前后两次的modCount是否变化（put、remove、clean操作前都会将++modCount）

二、ConcurrentlinkedQueue（非阻塞的线程安全队列、使用CAS算法）

• 由head、tail两个节点组成，每个节点有next域，链队结构
• 初始化情况下，head存储元素为空，tail=head
• 尾节点：队列的最后一个节点，不一定等于tail节点

2.1 入队

示意图：

入队过程

1） 入队节点设置成当前尾节点的下一个节点
2） 如果tail的next不为null，入队的节点设置为tail。（体现出尾节点和tail的区别）

多线程入队面临的问题

当一个线程正在入队，需要获取尾节点，然后进行（1）操作，如果这时候有一个线程插队，尾节点可能变化，则需要暂停入队，重新获取新的尾节点。

实现

1. 方法：循环+CAS
2. 定位出尾节点（期间可能有其他线程插入新的节点）
3. 定位成功后，通过CAS将入队的节点设置成尾节点的next节点
4. 如果尾节点后面有多余HOPS个节点，通过CAS更新tail节点为当前的入队节点
5. 使用HOPS的原因：减少CAS更新tail的次数，只有当节点和尾节点距离大于HOPS才更新tail为尾节点。（HOPS默认为1）
   

出队过程

当head有元素时，直接弹出head里的元素，当head没有元素，出队操作会更新head节点。 实现

• 循环+CAS
• 首先获取头节点元素，判断是否为空
• 如果为空，表示另一个线程已经取走
• 如果不为空，使用CAS将头节点的引用设置成null，如果CAS失败，表示另一个线程进行出队操作，更新了head节点，需要重新获取头节点，如果成功，返回头节点元素的值。

三、阻塞队列 概念：支持阻塞的插入和移除方法的队列，通常用于生产者-消费者场景 Java中插入和移除的4种处理方式

方法	抛出异常	返回值	阻塞	超时退出
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
查看	element()	peek()	-	-

队列满，往里插入元素，抛出IllegalStateException
队列空，取元素，抛出NoSuchElementException

Java中的阻塞队列

• ArrayBlockingQueue 有界，数组实现
• linkedBlockingQueue 有界，链表实现
• PriorityBlockingQueue 无界，支持优先级
• DelayQueue 无界支持延时获取元素，优先队列实现
• SynchronousQueue 不存储元素，用于传递数据。
• linkedTransferQueue 无界，链表实现
• linkedBlockingDeque 双向阻塞队列，链表实现

四、Fork/Join框架 工作窃取算法

• 前提：大任务被分成互不依赖的子任务，每个子任务放到各自的队列里，每个队列创建一个单独的线程执行。
• 概念：指的是某个线程从其他线程的队列窃取任务进行执行
• 改进：减少任务窃取线程和被窃取任务的线程对任务的竞争，通常使用双端队列。被窃取任务的线程从双端队列头部拿任务，窃取任务的线程从队列尾部拿任务执行。
• 原理：任务分割出来的子任务会从当前工作线程的双端队列头部进入，当一个工作线程的队列没有任务了，随机从其他工作线程的队列的尾部窃取一个任务来执行。
  

使用Fork/Join

• ForkJoinTask提供执行fork和join的操作机制。通常使用集成他们的子类RecursiveAction（无返回结果的任务）或者RecursiveTask（有返回结果的任务），重写compute方法来使用。
• ForkJoinPool 用来执行ForkJoinTask
  
  
  参考资料

【1】Java并发编程的艺术