解析ConcurrentHashMap:成員屬性、內部類、構造方法

// 散列表數組最大容量值
private static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
// 散列表默認容量值16
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;
// 最大的數組大小（非2的冪） toArray和相關方法需要(並不是核心屬性)
static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
// jdk1.7遺留下來的，用來表示並發級別的屬性
// jdk1.8隻有在初始化的時候用到，不再表示並發級別瞭~ 1.8以後並發級別由散列表長度決定
private static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
// 負載因子：表示散列表的填滿程度~ 在ConcurrentHashMap中，該屬性是固定值0.75，不可修改~
private static final float LOAD_FACTOR = 0.75f;
// 樹化閾值：散列表的一個桶中鏈表長度達到8時候，可能發生鏈表樹化
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8;
// 反樹化閾值：散列表的一個桶中的紅黑樹元素個數小於6時候，將紅黑樹轉換回鏈表結構
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6;
// 散列表長度達到64，且某個桶位中的鏈表長度達到8，才會發生樹化
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;
// 控制線程遷移數據的最小步長(桶位的跨度~)
private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;
// 固定值16，與擴容相關，計算擴容時會根據該屬性值生成一個擴容標識戳
private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;
// (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1 = 65535：1 << 16 -1
// 表示並發擴容最多容納的線程數
private static final int MAX_RESIZERS = (1 << (32 - RESIZE_STAMP_BITS)) - 1;
// 也是擴容相關屬性，在擴容分析的時候會用到~
private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;
// 當node節點的hash值為-1：表示當前節點是FWD(forwarding)節點(已經被遷移的節點)
static final int MOVED     = -1;
// 當node節點的hash值為-2：表示當前節點已經樹化，且當前節點為TreeBin對象~，TreeBin對象代理操作紅黑樹
static final int TREEBIN   = -2; 
// 當node節點的hash值為-3：
static final int RESERVED  = -3;
// 0x7fffffff 十六進制轉二進制值為：1111111111111111111111111111111（31個1）
// 作用是將一個二進制負數與1111111111111111111111111111111 進行按位與(&)運算時，會得到一個正數，但不是取絕對值
static final int HASH_BITS = 0x7fffffff; 
// 當前系統的CPU數量
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
// JDK1.8 序列化為瞭兼容 JDK1.7的ConcurrentHashMap用到的屬性 (非核心屬性)
private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields = {
    new ObjectStreamField("segments", Segment[].class),
    new ObjectStreamField("segmentMask", Integer.TYPE),
    new ObjectStreamField("segmentShift", Integer.TYPE)
};
// 散列表table
transient volatile Node<K,V>[] table;
// 新表的引用：擴容過程中，會將擴容中的新table賦值給nextTable，（保持引用），擴容結束之後，這裡就會被設置為NULL
private transient volatile Node<K,V>[] nextTable;
// 與LongAdder中的baseCount作用相同: 當未發生線程競爭或當前LongAdder處於加鎖狀態時，增量會被累加到baseCount
private transient volatile long baseCount;
// 表示散列表table的狀態: 
// sizeCtl<0時：
// 情況一、sizeCtl=-1: 表示當前table正在進行初始化(即，有線程在創建table數組)，當前線程需要自旋等待...
// 情況二、表示當前table散列表正在進行擴容，高16位表示擴容的標識戳，低16位表示擴容線程數：(1 + nThread) 即，當前參與並發擴容的線程數量。
// sizeCtl=0時：表示創建table散列表時，使用默認初始容量DEFAULT_CAPACITY=16
// sizeCtl>0時：
// 情況一、如果table未初始化，表示初始化大小
// 情況二、如果table已經初始化，表示下次擴容時，觸發條件(閾值)
private transient volatile int sizeCtl;
// 擴容過程中，記錄當前進度。所有的線程都需要從transferIndex中分配區間任務，並去執行自己的任務
private transient volatile int transferIndex;
// LongAdder中，cellsBusy表示對象的加鎖狀態：
// 0: 表示當前LongAdder對象處於無鎖狀態
// 1: 表示當前LongAdder對象處於加鎖狀態
private transient volatile int cellsBusy;
// LongAdder中的cells數組，當baseCount發生線程競爭後，會創建cells數組，
// 線程會通過計算hash值，去取到自己的cell，將增量累加到指定的cell中
// 總數 = sum(cells) + baseCount
private transient volatile CounterCell[] counterCells;

// Unsafe 類
private static final sun.misc.Unsafe U;
// 表示sizeCtl屬性在ConcurrentHashMap中內存的偏移地址
private static final long SIZECTL;
// 表示transferIndex屬性在ConcurrentHashMap中內存的偏移地址
private static final long TRANSFERINDEX;
// 表示baseCount屬性在ConcurrentHashMap中內存的偏移地址
private static final long BASECOUNT;
// 表示cellsBusy屬性在ConcurrentHashMap中內存的偏移地址
private static final long CELLSBUSY;
// 表示cellsValue屬性在ConcurrentHashMap中內存的偏移地址
private static final long CELLVALUE;
// 表示數組第一個元素的偏移地址
private static final long ABASE;
// 該屬性用於數組尋址，請繼續往下閱讀
private static final int ASHIFT;

static {
    try {
        U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
        Class<?> k = ConcurrentHashMap.class;
        SIZECTL = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("sizeCtl"));
        TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("transferIndex"));
        BASECOUNT = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("baseCount"));
        CELLSBUSY = U.objectFieldOffset
            (k.getDeclaredField("cellsBusy"));
        Class<?> ck = CounterCell.class;
        CELLVALUE = U.objectFieldOffset
            (ck.getDeclaredField("value"));
        Class<?> ak = Node[].class;
        // 拿到數組第一個元素的偏移地址
        ABASE = U.arrayBaseOffset(ak);
        // 表示數組中每一個單元所占用的空間大小，即scale表示Node[]數組中每一個單元所占用的空間
        int scale = U.arrayIndexScale(ak);
        // (scale & (scale - 1)) != 0：判斷scale的數值是否是2的次冪數
        // java語言規范中，要求數組中計算出的scale必須為2的次冪數
        // 1 0000 % 0 1111 = 0
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)
            throw new Error("data type scale not a power of two");
        // numberOfLeadingZeros(scale) 根據scale，返回當前數值轉換為二進制後，從高位到地位開始統計，統計有多少個0連續在一塊：eg, 8轉換二進制=>1000 則 numberOfLeadingZeros(8)的結果就是28，為什麼呢？因為Integer是32位，1000占4位，那麼前面就有32-4個0，即連續最長的0的個數為28個
        // 4轉換二進制=>100 則 numberOfLeadingZeros(8)的結果就是29
        // ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(4) = 2 那麼ASHIFT的作用是什麼呢？其實它有數組尋址的一個作用：
        // 拿到下標為5的Node[]數組元素的偏移地址(存儲地址)：假設此時 根據scale計算得到的ASHIFT = 2
        // ABASE + (5 << ASHIFT) == ABASE + (5 << 2) == ABASE + 5 * scale，就得到瞭下標為5的數組元素的偏移地址
        ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
    } catch (Exception e) {
        throw new Error(e);
    }
}

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    // hash值
    final int hash;
    // key
    final K key;
    // value
    volatile V val;
    // 後驅節點
    volatile Node<K,V> next;
    Node(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        this.hash = hash;
        this.key = key;
        this.val = val;
        this.next = next;
    }
    public final K getKey()       { return key; }
    public final V getValue()     { return val; }
    public final int hashCode()   { return key.hashCode() ^ val.hashCode(); 
    public final String toString(){ return key + "=" + val; }
    public final V setValue(V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }                                 
    public final boolean equals(Object o) {
        Object k, v, u; Map.Entry<?,?> e;
        return ((o instanceof Map.Entry) &&
                (k = (e = (Map.Entry<?,?>)o).getKey()) != null &&
                (v = e.getValue()) != null &&
                (k == key || k.equals(key)) &&
                (v == (u = val) || v.equals(u)));
    }                                  
    /**
     * Virtualized support for map.get(); overridden in subclasses.
     */
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        Node<K,V> e = this;
        if (k != null) {
            do {
                K ek;
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
        return null;
    }
}

// 如果是一個寫的線程(eg：並發擴容線程)，則需要為創建新表貢獻一份力
// 如果是一個讀的線程，則調用該內部類的find(int h, Object k)方法
static final class ForwardingNode<K,V> extends Node<K,V> {
    // nextTable表示新散列表的引用
    final Node<K,V>[] nextTable;
    ForwardingNode(Node<K,V>[] tab) {
        super(MOVED, null, null, null);
        this.nextTable = tab;
    }
    // 到新表上去讀數據
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        // loop to avoid arbitrarily deep recursion on forwarding nodes
        outer: for (Node<K,V>[] tab = nextTable;;) {
            Node<K,V> e; int n;
            if (k == null || tab == null || (n = tab.length) == 0 ||
                (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) == null)
                return null;
            for (;;) {
                int eh; K ek;
                if ((eh = e.hash) == h &&
                    ((ek = e.key) == k || (ek != null && k.equals(ek))))
                    return e;
                if (eh < 0) {
                    if (e instanceof ForwardingNode) {
                        tab = ((ForwardingNode<K,V>)e).nextTable;
                        continue outer;
                    }
                    else
                        return e.find(h, k);
                }
                if ((e = e.next) == null)
                    return null;
            }
        }
    }
}

static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
    // 父節點
    TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
    // 左子節點
    TreeNode<K,V> left;
    // 右節點
    TreeNode<K,V> right;
    // 前驅節點
    TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    // 節點有紅、黑兩種顏色~
    boolean red;
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next,
             TreeNode<K,V> parent) {
        super(hash, key, val, next);
        this.parent = parent;
    }
    Node<K,V> find(int h, Object k) {
        return findTreeNode(h, k, null);
    }
    /**
     * Returns the TreeNode (or null if not found) for the given key
     * starting at given root.
     */
    final TreeNode<K,V> findTreeNode(int h, Object k, Class<?> kc) {
        if (k != null) {
            TreeNode<K,V> p = this;
            do  {
                int ph, dir; K pk; TreeNode<K,V> q;
                TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right;
                if ((ph = p.hash) > h)
                    p = pl;
                else if (ph < h)
                    p = pr;
                else if ((pk = p.key) == k || (pk != null && k.equals(pk)))
                    return p;
                else if (pl == null)
                    p = pr;
                else if (pr == null)
                    p = pl;
                else if ((kc != null ||
                          (kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
                         (dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
                    p = (dir < 0) ? pl : pr;
                else if ((q = pr.findTreeNode(h, k, kc)) != null)
                    return q;
                else
                    p = pl;
            } while (p != null);
        }
        return null;
    }
}

public ConcurrentHashMap() {
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
            MAXIMUM_CAPACITY :
            tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));
    this.sizeCtl = cap;
}
public ConcurrentHashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.sizeCtl = DEFAULT_CAPACITY;
    putAll(m);
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    this(initialCapacity, loadFactor, 1);
}
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
                         float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    if (!(loadFactor > 0.0f) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    if (initialCapacity < concurrencyLevel)   // Use at least as many bins
        initialCapacity = concurrencyLevel;   // as estimated threads
    long size = (long)(1.0 + (long)initialCapacity / loadFactor);
    int cap = (size >= (long)MAXIMUM_CAPACITY) ?
            MAXIMUM_CAPACITY : tableSizeFor((int)size);
    this.sizeCtl = cap;
}