ConcurrentHashMap Code Reading

ConcurrentHashMapCode Reading

角田直行 <kakuda@gmail.com>

Agenda

•準備•Overview•読む•まとめ

準備

準備するもの

• Eclipse• ソース• ConcurrentHashMap.java• テストケース• JSR166TestCase.java• ConcurrentHashMapTest.java

• ConcurrentHashMapに関する参照資料• 気合い

ソースの取得場所

•ConcurrentHashMap.javaはJDKより•テストケースはDoug Leaさんのサイトよりhttp://gee.cs.oswego.edu/dl/concurrency-interest/

参照した資料

• JavaDochttp://java.sun.com/javase/ja/6/docs/ja/api/java/util/concurrent/ConcurrentHashMap.html

• IBM developerWorks:優れたHashMapの構築http://www.ibm.com/developerworks/jp/java/library/j-jtp08223/

• ITアーキテクト J2SE 5.0の新機能http://www.itarchitect.jp/technology_and_programming/-/24161-3.html

• Servlet Gardern@はてなhttp://d.hatena.ne.jp/yokolet/20071005

Overview

• Constants: 6つ• Field: 6つ• ユーティリティ: 2つ(hash(), segmentFor())• インナークラス: 2つ(HashEntry, Segment)• Public メソッド: 24コ(Constructorは5つ)• Iteratorサポート: 8つ• Serializationサポート: 2つ(writeObject(), readObject())

多分重要なトコ

今回は割愛するトコ

読む

public ConcurrentHashMap() { this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);}

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) { this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);}

public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { this(initialCapacity, loadFactor, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);}

コンストラクタ

/** デフォルトの初期容量 */

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;/** デフォルトの負荷係数 */

static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;/** デフォルトの並行処理レベル */

static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

/** 最大Segment数　1を16ビット分左にシフトしてるので65536 */

static final int MAX_SEGMENTS = 1 << 16;. . .public ConcurrentHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, int concurrencyLevel) { if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0) throw new IllegalArgumentException();

// 並行処理レベルが最大セグメント数を超えてはならない if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS) concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;

// SegmentとHashエントリの最適な引数を見つける int sshift = 0; int ssize = 1; while (ssize < concurrencyLevel) { ++sshift; ssize <<= 1; } // currencyLevelが16(デフォルト)の時、sshiftは4、ssizeは16になる segmentShift = 32 - sshift; // 28(32は32bitのこと?)

segmentMask = ssize - 1; // 15(0b0111) this.segments = Segment.newArray(ssize);

Segment数の決定/** どのSegmentにあるかを特定するためのマスク値 */

final int segmentMask;/** どのSegmentにあるかを特定するためのシフト値 */

final int segmentShift;

// Segmentの初期容量の算出 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; int c = initialCapacity / ssize; if (c * ssize < initialCapacity) ++c; int cap = 1; while (cap < c) cap <<= 1;

for (int i = 0; i < this.segments.length; ++i) this.segments[i] = new Segment<K,V>(cap, loadFactor);}

Segmentの生成/** 最大容量　1を30ビット分左にシフトしてるので1073741824 */

static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

Segmentとは

•ConcurrentHashMap.javaにて定義されているインナークラス

• 1つのConcurrentHashMapインスタンスに複数(デフォルト16)のSegmentを持つ

•ハッシュテーブルの特別バージョン• ReentrantLockのサブクラス

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {. . .transient int threshold;// 各SegmentにHashEntryの配列を保持transient volatile HashEntry<K,V>[] table;. . .Segment(int initialCapacity, float lf) { loadFactor = lf; setTable(HashEntry.<K,V>newArray(initialCapacity));}. . .void setTable(HashEntry<K,V>[] newTable) { threshold = (int)(newTable.length * loadFactor); table = newTable;}

Segmentのコンストラクタ

HashEntryとは

•ConcurrentHashMap.javaにて定義されているインナークラス

• 1つのSegmentインスタンスに1つ以上のHashEntryを持つ

•フィールドにkey, hash値, value, next(次のHashEntry)を持つ

• key, hash, nextはfinal

static final class HashEntry<K,V> { final K key; final int hash; volatile V value; final HashEntry<K,V> next; HashEntry(K key, int hash, HashEntry<K,V> next, V value) { this.key = key; this.hash = hash; this.next = next; this.value = value; } @SuppressWarnings("unchecked") static final <K,V> HashEntry<K,V>[] newArray(int i) { return new HashEntry[i]; }}

HashEntry

Segment、HashEntryの構造

ConcurrentHashMap

Segment

・・・

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・・

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・・

HashEntry

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・

HashEntry

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・

HashEntry

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・

HashEntry

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・

HashEntry

実際のチェーン数は1～2個くらい

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・

HashEntry

ConcurrentHashMap

Segment

HashEntry

・・

HashEntry

全Segmentが埋まったらSegmentのサイズは2倍に拡張される

public V get(Object key) {// 与えられたハッシュ値を元にちゃんとしたハッシュ値を求める

int hash = hash(key.hashCode());// ハッシュ値に該当するセグメントを見つけSegment#getをcall

return segmentFor(hash).get(key, hash);}

ConcurrentHashMap#get

public boolean containsKey(Object key) { int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).containsKey(key, hash);}public V put(K key, V value) { if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);}public V putIfAbsent(K key, V value) { if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).put(key, hash, value, true);}

他の主要メソッドも似たような処理

public boolean remove(Object key, Object value) { int hash = hash(key.hashCode()); if (value == null) return false; return segmentFor(hash).remove(key, hash, value) != null;}public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) { if (oldValue == null || newValue == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).replace(key, hash, oldValue, newValue);}public V replace(K key, V value) { if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).replace(key, hash, value);}

public boolean containsKey(Object key) { int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).containsKey(key, hash);}public V put(K key, V value) { if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).put(key, hash, value, false);}public V putIfAbsent(K key, V value) { if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).put(key, hash, value, true);}

他の主要メソッドも似たような処理

public boolean remove(Object key, Object value) { int hash = hash(key.hashCode()); if (value == null) return false; return segmentFor(hash).remove(key, hash, value) != null;}public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) { if (oldValue == null || newValue == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).replace(key, hash, oldValue, newValue);}public V replace(K key, V value) { if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key.hashCode()); return segmentFor(hash).replace(key, hash, value);}

private static int hash(int h) { // Spread bits to regularize both segment and index locations, // using variant of single-word Wang/Jenkins hash. h += (h << 15) ^ 0xffffcd7d; h ^= (h >>> 10); h += (h << 3); h ^= (h >>> 6); h += (h << 2) + (h << 14); return h ^ (h >>> 16);}

ConcurrentHashMap#hash

何やっているかわかりません・・・orz

http://www.concentric.net/~Ttwang/tech/inthash.htm が参考ソース？

HashMap#hashよりBetterな実装に置き換えてる

ConcurrentHashMap

Segment

・・・

いいハッシュ値を返すと・・・

ConcurrentHashMap

Segment

・・・

(“1”, “a”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

(“3”, “c”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

(“3”, “c”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

(“3”, “c”)

ちゃんとバラけてくれる！

ConcurrentHashMap

Segment

・・・

悪いハッシュ値を返すと・・・

ConcurrentHashMap

Segment

・・・

(“1”, “a”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”)

(“3”, “c”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”) (“3”, “c”)

ConcurrentHashMap

Segment

(“1”, “a”)

・・・

(“2”, “b”) (“3”, “c”)

偏ってしまい、すごく効率が悪くなる！

V get(Object key, int hash) { if (count != 0) { // read-volatile

// hashに相当するHashEntryの要素を取り出す HashEntry<K,V> e = getFirst(hash); while (e != null) { if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) {

// HashEntryのハッシュ値とキーが両方とも合えば V v = e.value; if (v != null) return v; return readValueUnderLock(e); // recheck } e = e.next; } } return null;}

Segment#get

boolean containsKey(Object key, int hash) { if (count != 0) { // read-volatile HashEntry<K,V> e = getFirst(hash); while (e != null) { if (e.hash == hash && key.equals(e.key)) return true; e = e.next; } } return false;}

Segment#containsKey基本Segment#getと同じ

boolean containsValue(Object value) { if (count != 0) { // read-volatile HashEntry<K,V>[] tab = table; // 変化する恐れがあるので作業用に置いてる？ int len = tab.length; for (int i = 0 ; i < len; i++) { for (HashEntry<K,V> e = tab[i]; e != null; e = e.next) { V v = e.value; if (v == null) // recheck v = readValueUnderLock(e); // 理屈上こういうことがありうるらしい if (value.equals(v)) return true; } } } return false;}

Segment#containsValue

V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { lock(); // HashEntryの更新系(put, remove, replace...)はロックが必要 try { int c = count; if (c++ > threshold) // ensure capacity rehash(); // サイズがしきい値を超えたら各要素のハッシュ値を再計算 HashEntry<K,V>[] tab = table; int index = hash & (tab.length - 1); HashEntry<K,V> first = tab[index]; HashEntry<K,V> e = first; while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key))) // どういうケース?

e = e.next;. . .

Segment#put

V oldValue; if (e != null) { oldValue = e.value; if (! onlyIfAbsent) e.value = value; } else { // 基本はここを通る oldValue = null; ++modCount; // HashEntryの構造が変更された回数を増やす tab[index] = new HashEntry<K,V>(key, hash, first, value); count = c; // write-volatile } return oldValue; } finally { unlock(); }}

Segment#put

V remove(Object key, int hash, Object value) { lock(); try { int c = count - 1; // サイズを1つ減らす HashEntry<K,V>[] tab = table; int index = hash & (tab.length - 1); HashEntry<K,V> first = tab[index]; HashEntry<K,V> e = first; while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key))) e = e.next; V oldValue = null;. . .

Segment#remove前半部分はSegment#putと大体同じ

if (e != null) { V v = e.value; if (value == null || value.equals(v)) { oldValue = v; ++modCount; HashEntry<K,V> newFirst = e.next; for (HashEntry<K,V> p = first; p != e; p = p.next) newFirst = new HashEntry<K,V>(p.key, p.hash, newFirst, p.value); tab[index] = newFirst; count = c; // write-volatile } } return oldValue; } finally { unlock(); }}

Segment#remove

if (e != null) { V v = e.value; if (value == null || value.equals(v)) { oldValue = v; ++modCount; HashEntry<K,V> newFirst = e.next; for (HashEntry<K,V> p = first; p != e; p = p.next) newFirst = new HashEntry<K,V>(p.key, p.hash, newFirst, p.value); tab[index] = newFirst; count = c; // write-volatile } } return oldValue; } finally { unlock(); }}

Segment#remove

• HashEntryにはnextという次の要素を表すフィールドがある

• removeが行われるとnextの付け替えが発生する

• nextフィールドはfinalなので削除した要素より前を作り直さなければならない

SegmentA

Next = B

BNext = C

CNext = D

DNext = E

ENext = null

SegmentA

Next = B

BNext = C

CNext = D

DNext = E

ENext = null

remove(“C”)

SegmentA

Next = B

BNext = C

DNext = E

ENext = null

SegmentA

Next = B

BNext = C

DNext = E

ENext = null

NextがfinalなのでDに変更できない！

SegmentA

Next = B

BNext = C

DNext = E

ENext = null

NextがfinalなのでDに変更できない！

AとBは作り直し

void rehash() { HashEntry<K,V>[] oldTable = table; int oldCapacity = oldTable.length; if (oldCapacity >= MAXIMUM_CAPACITY) return;

/* * Reclassify nodes in each list to new Map. Because we are * using power-of-two expansion, the elements from each bin * must either stay at same index, or move with a power of two * offset. We eliminate unnecessary node creation by catching. . .

Segment#rehashput時にサイズがcapacityを超えた時に発生

コメントの超意訳

• 各リストのノードを新しいMapに再分類する。2つの強力な拡張(SegmentとHashEntry)を使っているため、同じindexを保つか2つのoffsetを同時に移動させなければならない。nextフィールドは変わらないので、古いノードは再利用でき不必要なノードを作らなくてすむ。統計的に、デフォルトのthresholdだとテーブルを2倍にする時にクローンする必要があるのは約1/6。置き換わる古いノードはreaderスレッドがすぐにテーブルを走査することで参照されなくなりGC対象となる。

void clear() { if (count != 0) { lock(); try { HashEntry<K,V>[] tab = table; for (int i = 0; i < tab.length ; i++) tab[i] = null; ++modCount; count = 0; // write-volatile } finally { unlock(); } }}

Segment#clear

V replace(K key, int hash, V newValue) { lock(); try { HashEntry<K,V> e = getFirst(hash); while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key))) e = e.next;

V oldValue = null; if (e != null) { oldValue = e.value; e.value = newValue; } return oldValue; } finally { unlock(); }}

Segment#replace

boolean replace(K key, int hash, V oldValue, V newValue) { lock(); try { HashEntry<K,V> e = getFirst(hash); while (e != null && (e.hash != hash || !key.equals(e.key))) e = e.next;

boolean replaced = false; if (e != null && oldValue.equals(e.value)) { replaced = true; e.value = newValue; } return replaced; } finally { unlock(); }}

Segment#replace その2

public boolean isEmpty() { final Segment<K,V>[] segments = this.segments; int[] mc = new int[segments.length]; int mcsum = 0; for (int i = 0; i < segments.length; ++i) { if (segments[i].count != 0) return false; else // 全segmentのサイズが0の時、それぞれの変更回数の和を計算する mcsum += mc[i] = segments[i].modCount; }. . .

ConcurrentHashMap#isEmpty

if (mcsum != 0) { // 何かしらの変更 (ABA問題) があった場合 for (int i = 0; i < segments.length; ++i) { if (segments[i].count != 0 || mc[i] != segments[i].modCount) return false; } } return true;}

ConcurrentHashMap#isEmpty

isEmptyのコメント超意訳

• いつの時点でもテーブルが空にならなかった場合、あるsegmentの一要素が追加され別で走査中に削除されるというABA問題(「Java並行処理プログラミング」15章参照)を避けるために各segmentのmodCountを追跡する。他にABA問題の影響を受ける可能性があるsize()やcontainsValue()メソッドでも同様にmodCountを使っている。

ConcurrentHashMap#size

•まずはロック無しで2回までトライする•数えている間に、別で変更処理が行われたらやり直す

• 2回とも邪魔されてしまったら全Segmentにロックをかけて数える

public int size() { final Segment<K,V>[] segments = this.segments; long sum = 0; long check = 0; int[] mc = new int[segments.length]; // Try a few times to get accurate count. On failure due to // continuous async changes in table, resort to locking. for (int k = 0; k < RETRIES_BEFORE_LOCK; ++k) { check = 0; sum = 0; int mcsum = 0;. . .

ConcurrentHashMap#size/** size()とcontainsValue()で使われる */

static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;

for (int i = 0; i < segments.length; ++i) { sum += segments[i].count; mcsum += mc[i] = segments[i].modCount; } if (mcsum != 0) { // 初期状態から変更が行われた for (int i = 0; i < segments.length; ++i) { check += segments[i].count; if (mc[i] != segments[i].modCount) { // 変更された check = -1; // force retry(「Java並行処理プログラミング」P269)

break; } } } if (check == sum) break; }

if (check != sum) { // Resort to locking all segments sum = 0; for (int i = 0; i < segments.length; ++i) //全Segmentをロック segments[i].lock(); for (int i = 0; i < segments.length; ++i) sum += segments[i].count; for (int i = 0; i < segments.length; ++i) segments[i].unlock(); } if (sum > Integer.MAX_VALUE) return Integer.MAX_VALUE; else return (int)sum;}

public boolean containsValue(Object value) { if (value == null) throw new NullPointerException(); // See explanation of modCount use above final Segment<K,V>[] segments = this.segments; int[] mc = new int[segments.length];

// Try a few times without locking for (int k = 0; k < RETRIES_BEFORE_LOCK; ++k) { int sum = 0; int mcsum = 0;. . .

ConcurrentHashMap#containsValue

ConcurrentHashMap#sizeと大体同じ

for (int i = 0; i < segments.length; ++i) { int c = segments[i].count; // メモリを同期化 mcsum += mc[i] = segments[i].modCount; if (segments[i].containsValue(value)) return true; } boolean cleanSweep = true; if (mcsum != 0) { // 初期状態から変更された for (int i = 0; i < segments.length; ++i) { int c = segments[i].count; // メモリを同期化 if (mc[i] != segments[i].modCount) { // 変更されたのでやり直し cleanSweep = false; break; } } } if (cleanSweep) return false; }

// Resort to locking all segments for (int i = 0; i < segments.length; ++i) segments[i].lock(); boolean found = false; try { for (int i = 0; i < segments.length; ++i) { if (segments[i].containsValue(value)) { // Segment#containsValue found = true; break; } } } finally { for (int i = 0; i < segments.length; ++i) segments[i].unlock(); } return found;}

まとめ

•ConcurrentHashMapは、SegmentとHashEntryというデータ構造が肝

•高速化のために色んなことをやってる• finalでread時はロックしないように• hash値計算でちゃんとばらけさせる•ロック処理を最小限に抑える

ちなみに

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77768)*+.-./01.6591

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(DN$&6;OK)$P$&$QA/R$5F*.

• ConcurrentHashMapより速いNonBlockingHashMapというのがある

•Azul SystemsのCliff Click氏作

詳しく知りたい人は

• JavaOne資料「A Lock-Free Hash Table」http://www.azulsystems.com/events/javaone_2007/2007_LockFreeHash.pdf

• Blog記事「A Non-Blocking HashTable」http://blogs.azulsystems.com/cliff/2007/03/a_nonblocking_h.html

• Highly Scalable Javahttp://sourceforge.net/projects/high-scale-lib

ご清聴ありがとうございました！

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