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【死磕Java并发】—–J.U.C之Java并发容器:ConcurrentSkipListMap

原文出处http://cmsblogs.com/chenssy

到目前为止,我们在Java世界里看到了两种实现key-value的数据结构:Hash、TreeMap,这两种数据结构各自都有着优缺点。

  1. Hash表:插入、查找最快,为O(1);如使用链表实现则可实现无锁;数据有序化需要显式的排序操作。
  2. 红黑树:插入、查找为O(logn),但常数项较小;无锁实现的复杂性很高,一般需要加锁;数据天然有序。

然而,这次介绍第三种实现key-value的数据结构:SkipList。SkipList有着不低于红黑树的效率,但是其原理和实现的复杂度要比红黑树简单多了。

SkipList

什么是SkipList?Skip List ,称之为跳表,它是一种可以替代平衡树的数据结构,其数据元素默认按照key值升序,天然有序。Skip list让已排序的数据分布在多层链表中,以0-1随机数决定一个数据的向上攀升与否,通过“空间来换取时间”的一个算法,在每个节点中增加了向前的指针,在插入、删除、查找时可以忽略一些不可能涉及到的结点,从而提高了效率。

我们先看一个简单的链表,如下:

1499585893174201707090001

如果我们需要查询9、21、30,则需要比较次数为3 + 6 + 8 = 17 次,那么有没有优化方案呢?有!我们将该链表中的某些元素提炼出来作为一个比较“索引”,如下:

1499586063109201707090002

我们先与这些索引进行比较来决定下一个元素是往右还是下走,由于存在“索引”的缘故,导致在检索的时候会大大减少比较的次数。当然元素不是很多,很难体现出优势,当元素足够多的时候,这种索引结构就会大显身手。

SkipList的特性

SkipList具备如下特性:

  1. 由很多层结构组成,level是通过一定的概率随机产生的
  2. 每一层都是一个有序的链表,默认是升序,也可以根据创建映射时所提供的Comparator进行排序,具体取决于使用的构造方法
  3. 最底层(Level 1)的链表包含所有元素
  4. 如果一个元素出现在Level i 的链表中,则它在Level i 之下的链表也都会出现
  5. 每个节点包含两个指针,一个指向同一链表中的下一个元素,一个指向下面一层的元素

我们将上图再做一些扩展就可以变成一个典型的SkipList结构了

1499590828559201707090003

SkipList的查找

SkipListd的查找算法较为简单,对于上面我们我们要查找元素21,其过程如下:

  1. 比较3,大于,往后找(9),
  2. 比9大,继续往后找(25),但是比25小,则从9的下一层开始找(16)
  3. 16的后面节点依然为25,则继续从16的下一层找
  4. 找到21

如图

201707090004

红色虚线代表路径。

SkipList的插入

SkipList的插入操作主要包括:

  1. 查找合适的位置。这里需要明确一点就是在确认新节点要占据的层次K时,采用丢硬币的方式,完全随机。如果占据的层次K大于链表的层次,则重新申请新的层,否则插入指定层次
  2. 申请新的节点
  3. 调整指针

假定我们要插入的元素为23,经过查找可以确认她是位于25后,9、16、21前。当然需要考虑申请的层次K。

如果层次K > 3

需要申请新层次(Level 4)

201707090005

如果层次 K = 2

直接在Level 2 层插入即可

201707090006

这里会涉及到以个算法:通过丢硬币决定层次K,该算法我们通过后面ConcurrentSkipListMap源码来分析。还有一个需要注意的地方就是,在K层插入元素后,需要确保所有小于K层的层次都应该出现新节点。

SkipList的删除

删除节点和插入节点思路基本一致:找到节点,删除节点,调整指针。

比如删除节点9,如下:

201707090007

ConcurrentSkipListMap

通过上面我们知道SkipList采用空间换时间的算法,其插入和查找的效率O(logn),其效率不低于红黑树,但是其原理和实现的复杂度要比红黑树简单多了。一般来说会操作链表List,就会对SkipList毫无压力。

ConcurrentSkipListMap其内部采用SkipLis数据结构实现。为了实现SkipList,ConcurrentSkipListMap提供了三个内部类来构建这样的链表结构:Node、Index、HeadIndex。其中Node表示最底层的单链表有序节点、Index表示为基于Node的索引层,HeadIndex用来维护索引层次。到这里我们可以这样说ConcurrentSkipListMap是通过HeadIndex维护索引层次,通过Index从最上层开始往下层查找,一步一步缩小查询范围,最后到达最底层Node时,就只需要比较很小一部分数据了。在JDK中的关系如下图:

201707090008

** Node **

    static final class Node<K,V> {
        final K key;
        volatile Object value;
        volatile ConcurrentSkipListMap.Node<K, V> next;
        
        /** 省略些许代码 */
    }

Node的结构和一般的单链表毫无区别,key-value和一个指向下一个节点的next。

Index

    static class Index<K,V> {
        final ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> node;
        final ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> down;
        volatile ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> right;

        /** 省略些许代码 */
    }

Index提供了一个基于Node节点的索引Node,一个指向下一个Index的right,一个指向下层的down节点。

HeadIndex

    static final class HeadIndex<K,V> extends Index<K,V> {
        final int level;  //索引层,从1开始,Node单链表层为0
        HeadIndex(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right, int level) {
            super(node, down, right);
            this.level = level;
        }
    }

HeadIndex内部就一个level来定义层级。

ConcurrentSkipListMap提供了四个构造函数,每个构造函数都会调用initialize()方法进行初始化工作。

    final void initialize() {
        keySet = null;
        entrySet = null;
        values = null;
        descendingMap = null;
        randomSeed = seedGenerator.nextInt() | 0x0100; // ensure nonzero
        head = new ConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V>(new ConcurrentSkipListMap.Node<K,V>(null, BASE_HEADER, null),
                null, null, 1);
    }

注意,initialize()方法不仅仅只在构造函数中被调用,如clone,clear、readObject时都会调用该方法进行初始化步骤。这里需要注意randomSeed的初始化。

 private transient int randomSeed;
 randomSeed = seedGenerator.nextInt() | 0x0100; // ensure nonzero

randomSeed一个简单的随机数生成器(在后面介绍)。

put操作

CoucurrentSkipListMap提供了put()方法用于将指定值与此映射中的指定键关联。源码如下:

    public V put(K key, V value) {
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        return doPut(key, value, false);
    }

首先判断value如果为null,则抛出NullPointerException,否则调用doPut方法,其实如果各位看过JDK的源码的话,应该对这样的操作很熟悉了,JDK源码里面很多方法都是先做一些必要性的验证后,然后通过调用do**()方法进行真正的操作。

doPut()方法内容较多,我们分步分析。

    private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        Node<K,V> z;             // added node
        if (key == null)
            throw new NullPointerException();
        // 比较器
        Comparator<? super K> cmp = comparator;
        outer: for (;;) {
            for (Node<K, V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next; ; ) {

            /** 省略代码 */

doPut()方法有三个参数,除了key,value外还有一个boolean类型的onlyIfAbsent,该参数作用与如果存在当前key时,该做何动作。当onlyIfAbsent为false时,替换value,为true时,则返回该value。用代码解释为:

   if (!map.containsKey(key))
      return map.put(key, value);
  else
       return map.get(key);

首先判断key是否为null,如果为null,则抛出NullPointerException,从这里我们可以确认ConcurrentSkipList是不支持key或者value为null的。然后调用findPredecessor()方法,传入key来确认位置。findPredecessor()方法其实就是确认key要插入的位置。

   private Node<K,V> findPredecessor(Object key, Comparator<? super K> cmp) {
        if (key == null)
            throw new NullPointerException(); // don't postpone errors
        for (;;) {
            // 从head节点开始,head是level最高级别的headIndex
            for (Index<K,V> q = head, r = q.right, d;;) {

                // r != null,表示该节点右边还有节点,需要比较
                if (r != null) {
                    Node<K,V> n = r.node;
                    K k = n.key;
                    // value == null,表示该节点已经被删除了
                    // 通过unlink()方法过滤掉该节点
                    if (n.value == null) {
                        //删掉r节点
                        if (!q.unlink(r))
                            break;           // restart
                        r = q.right;         // reread r
                        continue;
                    }

                    // value != null,节点存在
                    // 如果key 大于r节点的key 则往前进一步
                    if (cpr(cmp, key, k) > 0) {
                        q = r;
                        r = r.right;
                        continue;
                    }
                }

                // 到达最右边,如果dowm == null,表示指针已经达到最下层了,直接返回该节点
                if ((d = q.down) == null)
                    return q.node;
                q = d;
                r = d.right;
            }
        }
    }

findPredecessor()方法意思非常明确:寻找前辈。从最高层的headIndex开始向右一步一步比较,直到right为null或者右边节点的Node的key大于当前key为止,然后再向下寻找,依次重复该过程,直到down为null为止,即找到了前辈,看返回的结果注意是Node,不是Item,所以插入的位置应该是最底层的Node链表。

在这个过程中ConcurrentSkipListMap赋予了该方法一个其他的功能,就是通过判断节点的value是否为null,如果为null,表示该节点已经被删除了,通过调用unlink()方法删除该节点。

        final boolean unlink(Index<K,V> succ) {
            return node.value != null && casRight(succ, succ.right);
        }

删除节点过程非常简单,更改下right指针即可。

通过findPredecessor()找到前辈节点后,做什么呢?看下面:

 for (Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {
        // 前辈节点的next != null
        if (n != null) {
            Object v; int c;
            Node<K,V> f = n.next;

            // 不一致读,主要原因是并发,有节点捷足先登
            if (n != b.next)               // inconsistent read
                break;

            // n.value == null,该节点已经被删除了
            if ((v = n.value) == null) {   // n is deleted
                n.helpDelete(b, f);
                break;
            }

            // 前辈节点b已经被删除
            if (b.value == null || v == n) // b is deleted
                break;

            // 节点大于,往前移
            if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) > 0) {
                b = n;
                n = f;
                continue;
            }

            // c == 0 表示,找到一个key相等的节点,根据onlyIfAbsent参数来做判断
            // onlyIfAbsent ==false,则通过casValue,替换value
            // onlyIfAbsent == true,返回该value
            if (c == 0) {
                if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value)) {
                    @SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;
                    return vv;
                }
                break; // restart if lost race to replace value
            }
            // else c < 0; fall through
        }

        // 将key-value包装成一个node,插入
        z = new Node<K,V>(key, value, n);
        if (!b.casNext(n, z))
            break;         // restart if lost race to append to b
        break outer;
    }

找到合适的位置后,就是在该位置插入节点咯。插入节点的过程比较简单,就是将key-value包装成一个Node,然后通过casNext()方法加入到链表当中。当然是插入之前需要进行一系列的校验工作。

在最下层插入节点后,下一步工作是什么?新建索引。前面博主提过,在插入节点的时候,会根据采用抛硬币的方式来决定新节点所插入的层次,由于存在并发的可能,ConcurrentSkipListMap采用ThreadLocalRandom来生成随机数。如下:

int rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed();

抛硬币决定层次的思想很简单,就是通过抛硬币如果硬币为正面则层次level + 1 ,否则停止,如下:

            // 抛硬币决定层次
            while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0)
                ++level;

在阐述SkipList插入节点的时候说明了,决定的层次level会分为两种情况进行处理,一是如果层次level大于最大的层次话则需要新增一层,否则就在相应层次以及小于该level的层次进行节点新增处理。

level <= headIndex.level

            // 如果决定的层次level比最高层次head.level小,直接生成最高层次的index
            // 由于需要确认每一层次的down,所以需要从最下层依次往上生成
            if (level <= (max = h.level)) {
                for (int i = 1; i <= level; ++i)
                    idx = new ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>(z, idx, null);
            }

 

从底层开始,小于level的每一层都初始化一个index,每次的node都指向新加入的node,down指向下一层的item,右侧next全部为null。整个处理过程非常简单:为小于level的每一层初始化一个index,然后加入到原来的index链条中去。

level > headIndex.level

           // leve > head.level 则新增一层
            else { // try to grow by one level
                // 新增一层
                level = max + 1;

                // 初始化 level个item节点
                @SuppressWarnings("unchecked")
                ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>[] idxs =
                        (ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>[])new ConcurrentSkipListMap.Index<?,?>[level+1];
                for (int i = 1; i <= level; ++i)
                    idxs[i] = idx = new ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>(z, idx, null);

                //
                for (;;) {
                    h = head;
                    int oldLevel = h.level;
                    // 层次扩大了,需要重新开始(有新线程节点加入)
                    if (level <= oldLevel) // lost race to add level
                        break;
                    // 新的头结点HeadIndex
                    ConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V> newh = h;
                    ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> oldbase = h.node;
                    // 生成新的HeadIndex节点,该HeadIndex指向新增层次
                    for (int j = oldLevel+1; j <= level; ++j)
                        newh = new ConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V>(oldbase, newh, idxs[j], j);

                    // HeadIndex CAS替换
                    if (casHead(h, newh)) {
                        h = newh;
                        idx = idxs[level = oldLevel];
                        break;
                    }
                }

当抛硬币决定的level大于最大层次level时,需要新增一层进行处理。处理逻辑如下:

  1. 初始化一个对应的index数组,大小为level + 1,然后为每个单位都创建一个index,个中参数为:Node为新增的Z,down为下一层index,right为null
  2. 通过for循环来进行扩容操作。从最高层进行处理,新增一个HeadIndex,个中参数:节点Node,down都为最高层的Node和HeadIndex,right为刚刚创建的对应层次的index,level为相对应的层次level。最后通过CAS把当前的head与新加入层的head进行替换。

通过上面步骤我们发现,尽管已经找到了前辈节点,也将node插入了,也确定确定了层次并生成了相应的Index,但是并没有将这些Index插入到相应的层次当中,所以下面的代码就是将index插入到相对应的层当中。

  // 从插入的层次level开始
    splice: for (int insertionLevel = level;;) {
        int j = h.level;
        //  从headIndex开始
        for (ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> q = h, r = q.right, t = idx;;) {
            if (q == null || t == null)
                break splice;

            // r != null;这里是找到相应层次的插入节点位置,注意这里只横向找
            if (r != null) {
                ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> n = r.node;

                int c = cpr(cmp, key, n.key);

                // n.value == null ,解除关系,r右移
                if (n.value == null) {
                    if (!q.unlink(r))
                        break;
                    r = q.right;
                    continue;
                }

                // key > n.key 右移
                if (c > 0) {
                    q = r;
                    r = r.right;
                    continue;
                }
            }

            // 上面找到节点要插入的位置,这里就插入
            // 当前层是最顶层
            if (j == insertionLevel) {
                // 建立联系
                if (!q.link(r, t))
                    break; // restart
                if (t.node.value == null) {
                    findNode(key);
                    break splice;
                }
                // 标志的插入层 -- ,如果== 0 ,表示已经到底了,插入完毕,退出循环
                if (--insertionLevel == 0)
                    break splice;
            }

            // 上面节点已经插入完毕了,插入下一个节点
            if (--j >= insertionLevel && j < level)
                t = t.down;
            q = q.down;
            r = q.right;
        }
    }

这段代码分为两部分看,一部分是找到相应层次的该节点插入的位置,第二部分在该位置插入,然后下移。

至此,ConcurrentSkipListMap的put操作到此就结束了。代码量有点儿多,这里总结下:

  1. 首先通过findPredecessor()方法找到前辈节点Node
  2. 根据返回的前辈节点以及key-value,新建Node节点,同时通过CAS设置next
  3. 设置节点Node,再设置索引节点。采取抛硬币方式决定层次,如果所决定的层次大于现存的最大层次,则新增一层,然后新建一个Item链表。
  4. 最后,将新建的Item链表插入到SkipList结构中。

get操作

相比于put操作 ,get操作会简单很多,其过程其实就只相当于put操作的第一步:

  private V doGet(Object key) {
        if (key == null)
            throw new NullPointerException();
        Comparator<? super K> cmp = comparator;
        outer: for (;;) {
            for (ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {
                Object v; int c;
                if (n == null)
                    break outer;
                ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> f = n.next;
                if (n != b.next)                // 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) {
                    @SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;
                    return vv;
                }
                if (c < 0)
                    break outer;
                b = n;
                n = f;
            }
        }
        return null;
    }

与put操作第一步相似,首先调用findPredecessor()方法找到前辈节点,然后顺着right一直往右找即可,同时在这个过程中同样承担了一个删除value为null的节点的职责。

remove操作

remove操作为删除指定key节点,如下:

    public V remove(Object key) {
        return doRemove(key, null);
    }

直接调用doRemove()方法,这里remove有两个参数,一个是key,另外一个是value,所以doRemove方法即提供remove key,也提供同时满足key-value。

 final V doRemove(Object key, Object value) {
        if (key == null)
            throw new NullPointerException();
        Comparator<? super K> cmp = comparator;
        outer: for (;;) {
            for (ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {
                Object v; int c;
                if (n == null)
                    break outer;
                ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> f = n.next;

                // 不一致读,重新开始
                if (n != b.next)                    // inconsistent read
                    break;

                // n节点已删除
                if ((v = n.value) == null) {        // n is deleted
                    n.helpDelete(b, f);
                    break;
                }

                // b节点已删除
                if (b.value == null || v == n)      // b is deleted
                    break;

                if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) < 0)
                    break outer;

                // 右移
                if (c > 0) {
                    b = n;
                    n = f;
                    continue;
                }

                /*
                 * 找到节点
                 */

                // value != null 表示需要同时校验key-value值
                if (value != null && !value.equals(v))
                    break outer;

                // CAS替换value
                if (!n.casValue(v, null))
                    break;
                if (!n.appendMarker(f) || !b.casNext(n, f))
                    findNode(key);                  // retry via findNode
                else {
                    // 清理节点
                    findPredecessor(key, cmp);      // clean index

                    // head.right == null表示该层已经没有节点,删掉该层
                    if (head.right == null)
                        tryReduceLevel();
                }
                @SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;
                return vv;
            }
        }
        return null;
    }

调用findPredecessor()方法找到前辈节点,然后通过右移,然后比较,找到后利用CAS把value替换为null,然后判断该节点是不是这层唯一的index,如果是的话,调用tryReduceLevel()方法把这层干掉,完成删除。

其实从这里可以看出,remove方法仅仅是把Node的value设置null,并没有真正删除该节点Node,其实从上面的put操作、get操作我们可以看出,他们在寻找节点的时候都会判断节点的value是否为null,如果为null,则调用unLink()方法取消关联关系,如下:

                    if (n.value == null) {
                        if (!q.unlink(r))
                            break;           // restart
                        r = q.right;         // reread r
                        continue;
                    }

size操作

ConcurrentSkipListMap的size()操作和ConcurrentHashMap不同,它并没有维护一个全局变量来统计元素的个数,所以每次调用该方法的时候都需要去遍历。

    public int size() {
        long count = 0;
        for (Node<K,V> n = findFirst(); n != null; n = n.next) {
            if (n.getValidValue() != null)
                ++count;
        }
        return (count >= Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE : (int) count;
    }

调用findFirst()方法找到第一个Node,然后利用node的next去统计。最后返回统计数据,最多能返回Integer.MAX_VALUE。注意这里在线程并发下是安全的。

ConcurrentSkipListMap过程其实不复杂,相比于ConcurrentHashMap而言,是简单的不能再简单了。对跳表SkipList熟悉的话,ConcurrentSkipListMap 应该是盘中餐了。

下面,我们开始征服Java并发的阻塞队列

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