Java并发编程之ConcurrentSkipListMap

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。 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。

ConcurrentSkipListMap的继承关系

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

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。

ConcurrentSkipListMap的内部类

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

Index类

static class Index<K,V> { final Node<K,V> node; final Index<K,V> down; volatile Index<K,V> right; // Unsafe mechanics private 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); } } }

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。

构造函数

Index(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right) { this.node = node; this.down = down; this.right = right; }

构造Index结点，确定Node引用，down域和right域

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succ newSucc.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); }

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。

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); }

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。

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; } }

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。

Node类

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 mechanics private 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); } } }

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。

构造函数

Node(K key, Object value, Node<K,V> next) { this.key = key; this.value = value; this.next = next; } // 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; }

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。

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f casNext(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); } }

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。

ConcurrentSkipListMap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 mechanics private 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); } } }

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。

ConcurrentSkipListMap的构造函数

// 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(); }

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。

ConcurrentSkipListMap的核心函数

doPut函数

// 插入一个结点 private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { Node<K,V> z; // added node if (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 read break; 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 deleted break; 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 bits int 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 level level = 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 level break; // 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; // restart if (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; }

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 errors for (;;) { // 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key K 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 r continue; } 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; } } }

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。

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 read break; 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 deleted break; 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null break; 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f findNode(key); // retry via findNode else { // 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 index if (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; }

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） 　　 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 set h.right != null) // recheck casHead(d, h); // try to backout }

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。

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 read break; if ((v = n.value) == null) { // n is deleted n.helpDelete(b, f); break; } if (b.value == null || v == n) // b is deleted break; 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value return 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; }

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。

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; }

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null return 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); } }

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_HEADER return null; @SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v; return vv; }

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。

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) + "] "); } } }

运行结果：

[dyd,24] [leesf,24] [dyd,24]

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 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 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 　　 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 　　 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。

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