【JUC】JDK1.8源码分析之ConcurrentSkipListMap（二）

一、前言

　　最近在做项目的同时也在修复之前项目的一些Bug，所以忙得没有时间看源代码，今天都完成得差不多了，所以又开始源码分析之路，也着笔记录下ConcurrentSkipListMap的源码的分析过程。

二、ConcurrentSkipListMap数据结构

　　抓住了数据结构，对于理解整个ConcurrentSkipListMap有很重要的作用，其实，通过源码可知其数据结构如下。

　　说明：可以看到ConcurrentSkipListMap的数据结构使用的是跳表，每一个HeadIndex、Index结点都会包含一个对Node的引用，同一垂直方向上的Index、HeadIndex结点都包含了最底层的Node结点的引用。并且层级越高，该层级的结点（HeadIndex和Index）数越少。Node结点之间使用单链表结构。

三、ConcurrentSkipListMap源码分析

　　3.1 类的继承关系　

public class ConcurrentSkipListMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>implements ConcurrentNavigableMap<K,V>, Cloneable, Serializable {}

　　说明：ConcurrentSkipListMap继承了AbstractMap抽象类，实现了ConcurrentNavigableMap接口，该接口定义了获取某一部分集合的操作。实现了Cloneable接口，表示允许克隆。实现了Serializable接口，表示可被序列化。

　　3.2 类的内部类

　　ConcurrentSkipListMap包含了很多内部类，内部类的框架图如下：

　　说明：其中，最为重要的类包括Index、HeadIndex、Node三个类。下面对这三个类进行逐一讲解，其他的类，读者有兴趣可以自行分析。

　　① Index类

　　1. 类的属性　

    static class Index<K,V> {final Node<K,V> node;final Index<K,V> down;volatile Index<K,V> right;// Unsafe mechanicsprivate static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;private static final long rightOffset;static {try {UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();Class<?> k = Index.class;rightOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("right"));} catch (Exception e) {throw new Error(e);}}}

　　说明：可以看到，Index结点包括一个Node结点的引用，都是包含down域和right域，即对应数据结构中的Index结点。并且借助了反射来原子性的修改right域。

　　2. 类的构造函数　　　

 /*** Creates index node with given values.*/Index(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right) {this.node = node;this.down = down;this.right = right;}

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说明：构造Index结点，确定Node引用，down域和right域。

　　3. 核心函数分析

　　3.1 link函数　

        final boolean link(Index<K,V> succ, Index<K,V> newSucc) {// 获取Index结点的Node结点Node<K,V> n = node;// 将newSucc结点的right域设置为succnewSucc.right = succ;// 结点的值不为空并且比较并交换当前Index结点的right域（将当前Index(this)结点的right域设置为newSucc）return n.value != null && casRight(succ, newSucc);}

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　　说明：link方法用于在当前Index结点的后面插入一个Index结点，形成其right结点。并且插入的Index结点的right域为当前结点的right域。

　　3.2 unlink函数　　

        final boolean unlink(Index<K,V> succ) {// 当前Index结点的Node结点的值不为空并且将当前Index结点的right设置为succ的right结点return node.value != null && casRight(succ, succ.right);}

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　　说明：unlink方法与link方法作用相反，其删除当前Index结点的right结点，即将当前Index结点的right指向当前Index结点的right.right域。

　　② HeadIndex类　　

    // 头结点索引类static final class HeadIndex<K,V> extends Index<K,V> {// 层级final int level;// 构造函数HeadIndex(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right, int level) {// 构造Index类super(node, down, right);this.level = level;}}

　　说明：根据HeadIndex类可知其继承自Index类，并且在Index类的基础上添加了level域，表示当前的层级。

　　③ Node类

　　1. 类的属性　　

    static final class Node<K,V> {// 键final K key;// 值volatile Object value;// 下一个结点volatile Node<K,V> next;// UNSAFE mechanicsprivate static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;// value域的偏移地址private static final long valueOffset;// next域的偏移地址private static final long nextOffset;static {try {UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();Class<?> k = Node.class;valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("value"));nextOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("next"));} catch (Exception e) {throw new Error(e);}}}

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　　说明：Node类包含了key、value、next域，其是用来实际存放元素的结点，并且是使用单链表结构。同时，也使用了反射来原子性的修改value与和next域。

　　2. 类的构造函数　　　

        Node(K key, Object value, Node<K,V> next) {this.key = key;this.value = value;this.next = next;}/*** Creates a new marker node. A marker is distinguished by* having its value field point to itself.  Marker nodes also* have null keys, a fact that is exploited in a few places,* but this doesn't distinguish markers from the base-level* header node (head.node), which also has a null key.*/// 用于建立标记结点，值为本身Node(Node<K,V> next) {this.key = null;this.value = this;this.next = next;}

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　　说明：Node类包含了两种构造函数，分别表示正常的结点和marker标记结点，marker标记结点在删除结点时被使用。

　　3. 类的核心函数

　　3.1 helpDelete函数　

        void helpDelete(Node<K,V> b, Node<K,V> f) {/** Rechecking links and then doing only one of the* help-out stages per call tends to minimize CAS* interference among helping threads.*/if (f == next && this == b.next) { // f为当前结点的后继并且b为当前结点的前驱if (f == null || f.value != f) // f为空或者f的value不为本身，即没有被标记    not already marked// 当前结点后添加一个marker结点，并且当前结点的后继为marker，marker结点的后继为fcasNext(f, new Node<K,V>(f)); else // f不为空并且f的值为本身// 设置b的next域为f的next域b.casNext(this, f.next);}}

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　　说明：删除结点，在结点后面添加一个marker结点或者将结点和其后的marker结点从其前驱中断开。

　　3.3 类的属性　　

public class ConcurrentSkipListMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>implements ConcurrentNavigableMap<K,V>, Cloneable, Serializable {// 版本序列号    private static final long serialVersionUID = -8627078645895051609L;// 基础层的头结点private static final Object BASE_HEADER = new Object();// 最顶层头结点的索引private transient volatile HeadIndex<K,V> head;// 比较器final Comparator<? super K> comparator;// 键集合private transient KeySet<K> keySet;// entry集合private transient EntrySet<K,V> entrySet;// 值集合private transient Values<V> values;// 降序键集合private transient ConcurrentNavigableMap<K,V> descendingMap;// Unsafe mechanicsprivate static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;// head域的偏移量private static final long headOffset;// Thread类的threadLocalRandomSecondarySeed的偏移量private static final long SECONDARY;static {try {UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();Class<?> k = ConcurrentSkipListMap.class;headOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(k.getDeclaredField("head"));Class<?> tk = Thread.class;SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));} catch (Exception e) {throw new Error(e);}}
}

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　　说明：ConcurrentSkipListMap包含了head属性，表示跳表的头结点，并且包含了一个比较器，值得注意的是，对于ConcurrentSkipListMap的使用，键必须能够进行比较，如传递了比较器或者键本身就能够进行比较。同时，也使用了反射来保证原子性的更新head域。

　　3.4 类的构造函数

　　1. ConcurrentSkipListMap()型构造函数　　

    // 构造一个新的空映射，该映射按照键的自然顺序进行排序public ConcurrentSkipListMap() {// 比较器为空，那么键必须能够比较（实现了Comparable接口）this.comparator = null;// 初始化相关的域
        initialize();}

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　　说明：构造一个新的空映射，该映射按照键的自然顺序进行排序，即键K必须实现了Comparable接口，否则，会报错。

　　2. ConcurrentSkipListMap(Comparator<? super K>)型构造函数　　

    // 构造一个新的空映射，该映射按照指定的比较器进行排序public ConcurrentSkipListMap(Comparator<? super K> comparator) {// 初始化比较器this.comparator = comparator;// 初始化相关的域
        initialize();}

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　　说明：构造一个新的空映射，该映射按照指定的比较器进行排序

　　3. ConcurrentSkipListMap(Map<? extends K, ? extends V>)型构造函数　　

    // 构造一个新映射，该映射所包含的映射关系与给定映射包含的映射关系相同，并按照键的自然顺序进行排序public ConcurrentSkipListMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {// 比较器Wie空this.comparator = null;// 初始化相关的域
        initialize();// 将m的所有元素添加至跳表
        putAll(m);}

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　　说明：构造一个新映射，该映射所包含的映射关系与给定映射包含的映射关系相同，并按照键的自然顺序进行排序。

　　4. ConcurrentSkipListMap(SortedMap<K, ? extends V>)型构造函数　　

    // 构造一个新映射，该映射所包含的映射关系与指定的有序映射包含的映射关系相同，使用的顺序也相同public ConcurrentSkipListMap(SortedMap<K, ? extends V> m) {// 获取m的比较器this.comparator = m.comparator();// 初始化相关的域
        initialize();// 根据m的元素来构建跳表
        buildFromSorted(m);}

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　　说明：构造一个新映射，该映射所包含的映射关系与指定的有序映射包含的映射关系相同，使用的顺序也相同。

　　3.5 核心函数分析

　　1. doPut函数　　

    // 插入一个结点private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {Node<K,V> z;             // added nodeif (key == null) // 键为空，抛出空异常throw new NullPointerException();// 比较器Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) { // 无限循环for (Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) { // 找到先驱结点，n为当前结点if (n != null) { // next域不为空Object v; int c;// f为当前结点的后继节点Node<K,V> f = n.next;if (n != b.next)  // 不一致，重试            // inconsistent readbreak;if ((v = n.value) == null) { // n结点已经被删除  // n is deleted// 进行删除
                        n.helpDelete(b, f);break;}if (b.value == null || v == n) // b结点已经被删除        b is deletedbreak;if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) > 0) { // key大于结点的key// b往后移动b = n;// n往后移动n = f;continue;}if (c == 0) { // 键相等if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value)) { // 比较并交换值@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}// 重试break; // restart if lost race to replace value
                    }// else c < 0; fall through
                }// 新生一个结点z = new Node<K,V>(key, value, n);if (!b.casNext(n, z)) // 比较并交换next域break;         // restart if lost race to append to b// 成功，则跳出循环break outer;}}// 随机生成种子int rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed();if ((rnd & 0x80000001) == 0) { // test highest and lowest bitsint level = 1, max;while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0) // 判断从右到左有多少个连续的1++level;Index<K,V> idx = null;// 保存头结点HeadIndex<K,V> h = head;if (level <= (max = h.level)) { // 小于跳表的层级for (int i = 1; i <= level; ++i) // 为结点生成对应的Index结点// 从下至上依次赋值，并且赋值了Index结点的down域idx = new Index<K,V>(z, idx, null);}else { // try to grow by one levellevel = max + 1; // hold in array and later pick the one to use// 生成Index结点的数组，其中，idxs[0]不作使用@SuppressWarnings("unchecked")Index<K,V>[] idxs =(Index<K,V>[])new Index<?,?>[level+1]; for (int i = 1; i <= level; ++i) // 从下到上生成Index结点，并赋值down域idxs[i] = idx = new Index<K,V>(z, idx, null);for (;;) { // 无限循环// 保存头结点h = head;// 保存跳表之前的层级int oldLevel = h.level;if (level <= oldLevel) // lost race to add levelbreak;// 保存头结点HeadIndex<K,V> newh = h;// 保存头结点对应的Node结点Node<K,V> oldbase = h.node;for (int j = oldLevel+1; j <= level; ++j) // 为每一层生成一个头结点newh = new HeadIndex<K,V>(oldbase, newh, idxs[j], j);if (casHead(h, newh)) { // 比较并替换头结点// h赋值为最高层的头结点h = newh;// idx赋值为之前层级的头结点，并将level赋值为之前的层级idx = idxs[level = oldLevel];break;}}}// find insertion points and splice in// 插入Index结点splice: for (int insertionLevel = level;;) { // 保存新跳表的层级int j = h.level;for (Index<K,V> q = h, r = q.right, t = idx;;) { if (q == null || t == null) // 头结点或者idx结点为空// 跳出外层循环break splice;if (r != null) { // right结点不为空// 保存r对应的Node结点Node<K,V> n = r.node;// compare before deletion check avoids needing recheck// 比较key与结点的key值int c = cpr(cmp, key, n.key);if (n.value == null) { // 结点的值为空，表示需要删除if (!q.unlink(r)) // 删除q的Index结点break;// r为q的right结点r = q.right;continue;}if (c > 0) { // key大于结点的key// 向右寻找q = r;r = r.right;continue;}}if (j == insertionLevel) {if (!q.link(r, t)) // r结点插入q与t之间break; // restartif (t.node.value == null) { // t结点的值为空，需要删除// 利用findNode函数的副作用
                            findNode(key);break splice;}if (--insertionLevel == 0) // 到达最底层，跳出循环break splice;}if (--j >= insertionLevel && j < level) t = t.down;q = q.down;r = q.right;}}}return null;}

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　　说明：doPut提供对put函数的支持，doPut的大体流程如下：

　　① 根据给定的key从跳表的左上方往右或者往下查找到Node链表的前驱Node结点，这个查找过程会删除一些已经标记为删除的结点。

　　② 找到前驱结点后，开始往后插入查找插入的位置（因为找到前驱结点后，可能有另外一个线程在此前驱结点后插入了一个结点，所以步骤①得到的前驱现在可能不是要插入的结点的前驱，所以需要往后查找）。

　　③ 随机生成一个种子，判断是否需要增加层级，并且在各层级中插入对应的Index结点。

　　其中，会调用到findPredecessor函数，findPredecessor函数源码如下　　

    private Node<K,V> findPredecessor(Object key, Comparator<? super K> cmp) {if (key == null) // 键为空，抛出空异常throw new NullPointerException(); // don't postpone errorsfor (;;) { // 无限循环for (Index<K,V> q = head, r = q.right, d;;) { // if (r != null) { // 右Index结点不为空// n为当前Node结点Node<K,V> n = r.node;// 为当前keyK k = n.key;if (n.value == null) { // 当前Node结点的value为空，表示需要删除if (!q.unlink(r)) // unlink r Index结点break;           // restart// r为rightIndex结点r = q.right;         // reread rcontinue;}if (cpr(cmp, key, k) > 0) { // 比较key与当前Node结点的k，若大于0// 向右移动q = r;r = r.right;continue;}}if ((d = q.down) == null) // q的down域为空，直接返回q对应的Node结点return q.node;// 向下移动q = d;// d的right结点r = d.right;}}}

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　　说明：findPredecessor函数的主要流程如下。

　　从头结点（head）开始，先比较key与当前结点的key的大小，若key大于当前Index结点的key并且当前Index结点的right不为空，则向右移动，继续查找；若当前Index结点的right为空，则向下移动，继续查找；若key小于等于当前Index结点的key，则向下移动，继续查找。直至找到前驱结点。

　　2. doRemove函数　　

    // 移除一个结点final V doRemove(Object key, Object value) {if (key == null)throw new NullPointerException();// 保存比较器Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) { // 无限循环for (Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) { // 根据key找到前驱结点，n为当前Index结点Object v; int c;if (n == null) // n不为空break outer;// f为当前结点的next结点Node<K,V> f = n.next; if (n != b.next)  // 不一致，重试                  // inconsistent readbreak;if ((v = n.value) == null) {  // 当前结点的value为空，需要删除      // n is deleted// 删除n结点
                    n.helpDelete(b, f);break;}if (b.value == null || v == n)      // b is deletedbreak;if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) < 0) // key小于当前结点的key// 跳出外层循环break outer;if (c > 0) { // key大于当前结点的key// 向后移动b = n;n = f;continue;}if (value != null && !value.equals(v))break outer;if (!n.casValue(v, null)) // 当前结点的value设置为nullbreak;if (!n.appendMarker(f) || !b.casNext(n, f)) // 在n结点后添加一个marker结点，并且将b的next域更新为ffindNode(key);                  // retry via findNodeelse { // 添加节点并且更新均成功// 利用findNode函数的副作用，删除n结点对应的Index结点findPredecessor(key, cmp);      // clean indexif (head.right == null) // 头结点的right为null// 需要减少层级
                        tryReduceLevel();}@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}}return null;}

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　　说明：doRemove函数的处理流程如下。

　　① 根据key值找到前驱结点，查找的过程会删除一个标记为删除的结点。

　　② 从前驱结点往后查找该结点。

　　③ 在该结点后面添加一个marker结点，若添加成功，则将该结点的前驱的后继设置为该结点之前的后继。

　　④ 头结点的next域是否为空，若为空，则减少层级。

　　下面的示意图给出了remove操作一种可能的情况（仅仅涉及Node结点的链表层的操作）

　　说明：可以看到remove操作是分为两步进行的，首先是在要删除结点的后面添加一个marker结点，然后修改删除结点的前驱结点的next域。注意，这里仅仅只给出了Node结点的链表层的操作，并没有涉及到Index结点，关于Index结点的情况，之后会给出一个示例。其中会调用到tryReduceLevel函数，tryReduceLevel源码如下

    // 减少跳表层级private void tryReduceLevel() {// 保存头结点HeadIndex<K,V> h = head;HeadIndex<K,V> d;HeadIndex<K,V> e;if (h.level > 3 &&(d = (HeadIndex<K,V>)h.down) != null &&(e = (HeadIndex<K,V>)d.down) != null &&e.right == null &&d.right == null &&h.right == null &&casHead(h, d) && // try to seth.right != null) // recheckcasHead(d, h);   // try to backout}

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　　说明：如果最高的前三个HeadIndex不为空，并且其right域都为null，那么就将level减少1层，并将head设置为之前head的下一层，设置完成后，还有检测之前的head的right域是否为null，如果为null，则减少层级成功，否则再次将head设置为h。
　　3. doGet函数　　

    private V doGet(Object key) {if (key == null)throw new NullPointerException();Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) {for (Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) { // 根据key找到前驱结点，n为当前结点Object v; int c;if (n == null) // 当前Index结点为null，跳出外层循环break outer;// f为当前结点的next结点Node<K,V> f = n.next;if (n != b.next)    // 不一致，重试                // inconsistent readbreak;if ((v = n.value) == null) {    // n is deleted
                    n.helpDelete(b, f);break;}if (b.value == null || v == n)  // b is deletedbreak;if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) == 0) { // 找到key值相等的结点@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;// 返回valuereturn vv;}if (c < 0) // 小于当前结点// 则表示没有找到，跳出外层循环break outer;// 继续向后移动b = n;n = f;}}return null;}

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　　说明：doGet函数流程比较简单，首先根据key找到前驱结点，然后从前驱结点开始往后查找，找到与key相等的结点，则返回该结点，否则，返回null。在这个过程中会删除一些已经标记为删除状态的结点。

　　4. size函数　　

    public int size() {long count = 0;for (Node<K,V> n = findFirst(); n != null; n = n.next) { // 找到第一个结点if (n.getValidValue() != null) // n结点没有被标记删除// 计数器加1++count;}return (count >= Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE : (int) count;}

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　　说明：size函数的流程如下，首先利用findFirst函数找到第一个value不为null的结点。然后开始往后遍历，调用Node结点的getValidValue函数判断结点的value是否有效，有效则计数器加1。其中findFirst源码如下　　

    final Node<K,V> findFirst() {for (Node<K,V> b, n;;) {if ((n = (b = head.node).next) == null) // 头结点的下一个结点为当前结点，为null// 返回nullreturn null;if (n.value != null) // 当前结点不为null// 则返回该结点return n;// 表示当前结点的value为null,则进行删除
            n.helpDelete(b, n.next);}}

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　　说明：findFirst函数的功能是找到第一个value不为null的结点。getValidValue源码如下　

        V getValidValue() {Object v = value;if (v == this || v == BASE_HEADER) // value为自身或者为BASE_HEADERreturn null;@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}

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　　说明：若结点的value为自身或者是BASE_HEADER，则返回null，否则返回结点的value。

四、示例

　　下面通过一个简单的示例，来深入了解ConcurrentSkipListMap的内部结构。　

package com.hust.grid.leesf.collections;import java.util.concurrent.ConcurrentSkipListMap;public class ConcurrentSkipListMapDemo {public static void main(String[] args) {ConcurrentSkipListMap<String, Integer> cslm = new ConcurrentSkipListMap<String, Integer>();cslm.put("leesf", 24);cslm.put("dyd", 24);for (String key :cslm.keySet()) {System.out.print("[" + key + "," + cslm.get(key) + "] ");}System.out.println();cslm.remove("leesf");for (String key :cslm.keySet()) {System.out.print("[" + key + "," + cslm.get(key) + "] ");}}
}

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　　运行结果：

[dyd,24] [leesf,24]

[dyd,24]

　　说明：上面的一个示例非常简单，下面借这个示例，来分析ConcurrentSkipListMap的内部结构。

　　① 当新生一个ConcurrentSkipListMap时，有如下结构。

　　② 当put("leesf", 24)后，可能有如下结构

　　说明：在插入一个Node结点的同时，也插入一个Index结点，并且head结点的right域指向该Index结点，该Index的Node域指向插入的Node结点。

　　③ 当put("dyd", 24)后，可能有如下结构

　　说明：插入的("dyd", 24)，新生成的结点在leesf结点之前，并且也生成了一个Index结点指向它，此时跳表的层级还是为1。

　　④ 同样，当put("dyd", 24)后，也可能有如下结构　

　　说明：在插入("dyd"， 24)后，层级加1，此时会生成两个Index结点，并且两个Index结点均指向新生成的Node结点。

　　⑤ 在remove("dyd")之后，存在如下结构

　　说明：在key为dyd的结点后面添加了一个marker结点（key为null，value为自身），并且Node结点对应的Index也将从Index链表中断开，最后会被GC。

五、总结

　　看源代码需要耐心，多思考，才能领略源码的魅力所在，也谢谢各位园友的观看~

参考链接：http://brokendreams.iteye.com/blog/2253955

转载于:https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5512817.html

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