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資訊專欄INFORMATION COLUMN

Java多線程進階(二五)—— J.U.C之collections框架:ConcurrentSkip

huashiou / 1713人閱讀

摘要:同時,也提供了一個基于的實現類,底層基于紅黑樹設計,是一種有序的。可以看成是并發版本的,但是和不同是,并不是基于紅黑樹實現的,其底層是一種類似跳表的結構。上述所有構造器都調用了方法方法將一些字段置初始化,然后將指針指向新創建的結點。

本文首發于一世流云專欄:https://segmentfault.com/blog...
一、ConcurrentSkipListMap簡介 類繼承結構

在正式講ConcurrentSkipListMap之前,我們先來看下ConcurrentSkipListMap的類繼承圖:

我們知道,一般的Map都是無序的,也就是只能通過鍵的hash值進行定位。JDK為了實現有序的Map,提供了一個SortedMap接口,SortedMap提供了一些根據鍵范圍進行查找的功能,比如返回整個Map中 key最小/大的鍵、返回某個范圍內的子Map視圖等等。

為了進一步對有序Map進行增強,JDK又引入了NavigableMap接口,該接口進一步擴展了SortedMap的功能,提供了根據指定Key返回最接近項、按升序/降序返回所有鍵的視圖等功能。

同時,也提供了一個基于NavigableMap的實現類——TreeMap,TreeMap底層基于紅黑樹設計,是一種有序的Map。關于TreeMap和NavigableMap,本文不作贅述,讀者可以查看Oracle的官方文檔:https://docs.oracle.com/javas...。

ConcurrentSkipListMap的由來

JDK1.6時,為了對高并發環境下的有序Map提供更好的支持,J.U.C新增了一個ConcurrentNavigableMap接口,ConcurrentNavigableMap很簡單,它同時實現了NavigableMap和ConcurrentMap接口:

ConcurrentNavigableMap接口提供的功能也和NavigableMap幾乎完全一致,很多方法僅僅是返回的類型不同:

J.U.C提供了基于ConcurrentNavigableMap接口的一個實現——ConcurrentSkipListMap。ConcurrentSkipListMap可以看成是并發版本的TreeMap,但是和TreeMap不同是,ConcurrentSkipListMap并不是基于紅黑樹實現的,其底層是一種類似跳表(Skip List)的結構。

二、Skip List簡介 什么是Skip List

Skip List(以下簡稱跳表),是一種類似鏈表的數據結構,其查詢/插入/刪除的時間復雜度都是O(logn)

我們知道,通常意義上的鏈表是不能支持隨機訪問的(通過索引快速定位),其查找的時間復雜度是O(n),而數組這一可支持隨機訪問的數據結構,雖然查找很快,但是插入/刪除元素卻需要移動插入點后的所有元素,時間復雜度為O(n)。

為了解決這一問題,引入了樹結構,樹的增刪改查效率比較平均,一棵平衡二叉樹(AVL)的增刪改查效率一般為O(logn),比如工業上常用紅黑樹作為AVL的一種實現。

但是,AVL的實現一般都比較復雜,插入/刪除元素可能涉及對整個樹結構的修改,特別是并發環境下,通常需要全局鎖來保證AVL的線程安全,于是又出現了一種類似鏈表的數據結構——跳表。

Skip List示例

在講Skip List之前,我們先來看下傳統的單鏈表:

上圖的單鏈表中(省去了結點之間的鏈接),當想查找7、15、46這三個元素時,必須從頭指針head開始,遍歷整個單鏈表,其查找復雜度很低,為O(n)。

來看下Skip List的數據結構是什么樣的:

上圖是Skip List一種可能的結構,它分了2層,假設我們要查找“15”這個元素,那么整個步驟如下:

從頭指針head開始,找到第一個結點的最上層,發現其指向的下個結點值為8,小于15,則直接從1結點跳到8結點。

8結點最上層指向的下一結點值為18,大于15,則從8結點的下一層開始查找。

從8結點的最下層一直向后查找,依次經過10、13,最后找到15結點。

上述整個查找路徑如下圖標黃部分所示:

同理,如果要查找“46”這個元素,則整個查找路徑如下圖標黃部分所示:

上面就是跳躍表的基本思想了,每個結點不僅僅只包含指向下一個結點的指針,可能還包含很多個其它指向后續結點的指針。并且,一個結點本身可以看成是一個鏈表(自上向下鏈接)。這樣就可以跳過一些不必要的結點,從而加快查找、刪除等操作,這其實是一種“空間換時間”的算法設計思想。

那么一個結點可以包含多少層呢? 比如,Skip List也可能是下面這種包含3層的結構(在一個3層Skip List中查找元素“46”):

層數是根據一種隨機算法得到的,為了不讓層數過大,還會有一個最大層數MAX_LEVEL限制,隨機算法生成的層數不得大于該值。后面講ConcurrentSkipListMap時,我們會具體分析。

以上就是Skip List的基本思想了,總結起來,有以下幾點:

跳表由很多層組成;

每一層都是一個有序鏈表;

對于每一層的任意結點,不僅有指向下一個結點的指針,也有指向其下一層的指針。

三、ConcurrentSkipListMap的內部結構

介紹完了跳表,再來看ConcurrentSkipListMap的內部結構就容易得多了:

ConcurrentSkipListMap內部一共定義了3種不同類型的結點,元素的增刪改查都從最上層的head指針指向的結點開始:

public class ConcurrentSkipListMap2 extends AbstractMap
    implements ConcurrentNavigableMap, Cloneable, Serializable {
    /**
     * 最底層鏈表的頭指針BASE_HEADER
     */
    private static final Object BASE_HEADER = new Object();

    /**
     * 最上層鏈表的頭指針head
     */
    private transient volatile HeadIndex head;

    /* ---------------- 普通結點Node定義 -------------- */
    static final class Node {
        final K key;
        volatile Object value;
        volatile Node next;

        // ...
    }

    /* ---------------- 索引結點Index定義 -------------- */
    static class Index {
        final Node node;      // node指向最底層鏈表的Node結點
        final Index down;     // down指向下層Index結點
        volatile Index right; // right指向右邊的Index結點

        // ...
    }

    /* ---------------- 頭索引結點HeadIndex -------------- */
    static final class HeadIndex extends Index {
        final int level;    // 層級

        // ...
    }
}

我們來看下這3類結點的具體定義。

結點定義

普通結點:Node

普通結點——Node,也就是ConcurrentSkipListMap最底層鏈表中的結點,保存著實際的鍵值對,如果多帶帶看底層鏈,其實就是一個按照Key有序排列的單鏈表:

static final class Node {
    final K key;
    volatile Object value;
    volatile Node next;

    /**
     * 正常結點.
     */
    Node(K key, Object value, Node next) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.next = next;
    }

    /**
     * 標記結點.
     */
    Node(Node next) {
        this.key = null;
        this.value = this;
        this.next = next;
    }

    /**
     * CAS更新結點的value
     */
    boolean casValue(Object cmp, Object val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, valueOffset, cmp, val);
    }

    /**
     * CAS更新結點的next
     */
    boolean casNext(Node cmp, Node val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, nextOffset, cmp, val);
    }

    /**
     * 判斷當前結點是否為[標記結點]
     */
    boolean isMarker() {
        return value == this;
    }

    /**
     * 判斷當前結點是否是最底層鏈表的頭結點
     */
    boolean isBaseHeader() {
        return value == BASE_HEADER;
    }

    /**
     * 在當前結點后面插入一個標記結點.
     *
     * @param f 當前結點的后繼結點
     * @return true 插入成功
     */
    boolean appendMarker(Node f) {
        return casNext(f, new Node(f));
    }

    /**
     * 輔助刪除結點方法.
     *
     * @param b 當前結點的前驅結點
     * @param f 當前結點的后繼結點
     */
    void helpDelete(Node b, Node f) {
        /*
         * 重新檢查一遍結點位置
         * 確保b和f分別為當前結點的前驅/后繼
         */
        if (f == next && this == b.next) {
            if (f == null || f.value != f)  // f為null或非標記結點
                casNext(f, new Node(f));
            else                            // 刪除當前結點
                b.casNext(this, f.next);
        }
    }

    /**
     * 返回結點的value值.
     *
     * @return 標記結點或最底層頭結點,直接返回null
     */
    V getValidValue() {
        Object v = value;
        if (v == this || v == BASE_HEADER)  // 標記結點或最底層頭結點,直接返回null
            return null;
        V vv = (V) v;
        return vv;
    }

    /**
     * 返回當前結點的一個Immutable快照.
     */
    AbstractMap.SimpleImmutableEntry createSnapshot() {
        Object v = value;
        if (v == null || v == this || v == BASE_HEADER)
            return null;
        V vv = (V) v;
        return new AbstractMap.SimpleImmutableEntry(key, vv);
    }

    // UNSAFE mechanics

    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    private static final long valueOffset;
    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);
        }
    }
}

索引結點:Index

Index結點是除底層鏈外,其余各層鏈表中的非頭結點(見示意圖中的藍色結點)。每個Index結點包含3個指針:down、right、node
down和right指針分別指向下層結點和后繼結點,node指針指向其最底部的node結點。

static class Index {
    final Node node;      // node指向最底層鏈表的Node結點
    final Index down;     // down指向下層Index結點
    volatile Index right; // right指向右邊的Index結點

    Index(Node node, Index down, Index right) {
        this.node = node;
        this.down = down;
        this.right = right;
    }

    /**
     * CAS更新右邊的Index結點
     *
     * @param cmp 當前結點的右結點
     * @param val 希望更新的結點
     */
    final boolean casRight(Index cmp, Index val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, rightOffset, cmp, val);
    }

    /**
     * 判斷Node結點是否已經刪除.
     */
    final boolean indexesDeletedNode() {
        return node.value == null;
    }

    /**
     * CAS插入一個右邊結點newSucc.
     *
     * @param succ    當前的后繼結點
     * @param newSucc 新的后繼結點
     */
    final boolean link(Index succ, Index newSucc) {
        Node n = node;
        newSucc.right = succ;
        return n.value != null && casRight(succ, newSucc);
    }

    /**
     * 跳過當前結點的后繼結點.
     *
     * @param succ 當前的后繼結點
     */
    final boolean unlink(Index succ) {
        return node.value != null && casRight(succ, succ.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);
        }
    }
}

頭索引結點:HeadIndex

HeadIndex結點是各層鏈表的頭結點,它是Index類的子類,唯一的區別是增加了一個level字段,用于表示當前鏈表的級別,越往上層,level值越大。

static final class HeadIndex extends Index {
    final int level;    // 層級

    HeadIndex(Node node, Index down, Index right, int level) {
        super(node, down, right);
        this.level = level;
    }
}
構造器定義和初始化

ConcurrentSkipListMap一共定義了4種構造器:

空構造器

/**
 * 構造一個新的空Map.
 */
public ConcurrentSkipListMap() {
    this.comparator = null;
    initialize();
}

指定比較器的構造器

/**
 * 構造一個新的空Map.
 * 并指定比較器.
 */
public ConcurrentSkipListMap(Comparator comparator) {
    this.comparator = comparator;
    initialize();
}

從給定Map構建的構造器

/**
 * 從已給定的Map構造一個新Map.
 */
public ConcurrentSkipListMap(Map m) {
    this.comparator = null;
    initialize();
    putAll(m);
}

從給定SortedMap構建的構造器

/**
 * 從已給定的SortedMap構造一個新Map.
 * 并且Key的順序與原來保持一致.
 */
public ConcurrentSkipListMap(SortedMap m) {
    this.comparator = m.comparator();
    initialize();
    buildFromSorted(m);
}
注:ConcurrentSkipListMap會基于比較器——Comparator ,來進行鍵Key的比較,如果構造時未指定Comparator ,那么就會按照Key的自然順序進行比較,所謂Key的自然順序是指key實現Comparable接口。

上述所有構造器都調用了initialize方法:

private void initialize() {
    keySet = null;
    entrySet = null;
    values = null;
    descendingMap = null;
    head = new HeadIndex(new Node(null, BASE_HEADER, null),null, null, 1);
}

initialize方法將一些字段置初始化null,然后將head指針指向新創建的HeadIndex結點。初始化完成后,ConcurrentSkipListMap的結構如下:

其中,headBASE_HEADER都是ConcurrentSkipListMap的字段:

/**
 * 最底層鏈表的頭指針BASE_HEADER
 */
private static final Object BASE_HEADER = new Object();

/**
 * 最上層鏈表的頭指針head
 */
private transient volatile HeadIndex head;
四、ConcurrentSkipListMap的核心操作 put操作

put操作本身很簡單,需要注意的是ConcurrentSkipListMap在插入鍵值對時,Key和Value都不能為null:

/**
 * 插入鍵值對.
 *
 * @param key   鍵
 * @param value 值
 * @return 如果key存在,返回舊value值;否則返回null
 */
public V put(K key, V value) {
    if (value == null)          // ConcurrentSkipListMap的Value不能為null
        throw new NullPointerException();
    return doPut(key, value, false);
}

上述方法內部調用了doPut來做實際的插入操作:

/**
 * 插入鍵值對.
 *
 * @param onlyIfAbsent true: 僅當Key不存在時才進行插入
 */
private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    Node z;             // z指向待添加的Node結點
    if (key == null)          // ConcurrentSkipListMap的Key不能為null
        throw new NullPointerException();

    Comparator cmp = comparator;
    outer:
    for (; ; ) {
        // b是“是小于且最接近給定key”的Node結點(或底層鏈表頭結點)
        for (Node b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next; ; ) {
            if (n != null) {                    // b存在后驅結點:  b -> n -> f
                Object v;
                int c;
                Node f = n.next;          // f指向b的后驅的后驅
                if (n != b.next)                // 存在并發修改,放棄并重試
                    break;
                if ((v = n.value) == null) {    // n為標記刪除結點
                    n.helpDelete(b, f);
                    break;
                }
                if (b.value == null || v == n)  // b為標記刪除結點
                    break;
                if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) > 0) {   // 向后遍歷,找到第一個大于key的結點
                    b = n;
                    n = f;
                    continue;
                }
                if (c == 0) {                           // 存在Key相同的結點
                    if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value)) {
                        V vv = (V) v;
                        return vv;
                    }
                    break; // CAS更新失敗,則重試
                }
            }

            z = new Node(key, value, n);
            if (!b.casNext(n, z))  // 嘗試插入z結點: b -> z -> n
                break;         // CAS插入失敗,則重試
            break outer;           // 跳出最外層循環
        }
    }

    int rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed();    // 生成一個隨機數種子
    if ((rnd & 0x80000001) == 0) {                      // 為true表示需要增加層級

        /**
         * 以下方法用于創建新層級
         */
        int level = 1, max;
        while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0) // level表示新的層級,通過下面這個while循環可以確認新的層級數
            ++level;

        Index idx = null;
        HeadIndex h = head;

        if (level <= (max = h.level)) {         // CASE1: 新層級level沒有超過最大層級head.level(head指針指向最高層)
            // 以“頭插法”創建level個Index結點,idx最終指向最高層的Index結點
            for (int i = 1; i <= level; ++i)
                idx = new Index(z, idx, null);
        }
        else {                                  // CASE2: 新層級level超過了最大層級head.level
            level = max + 1;    // 重置level為最大層級+1

            // 生成一個Index結點數組,idxs[0]不會使用
            Index[] idxs = (Index[]) new Index[level + 1];
            for (int i = 1; i <= level; ++i)
                idxs[i] = idx = new Index(z, idx, null);

            // 生成新的HeadIndex結點
            for (; ; ) {
                h = head;
                int oldLevel = h.level;         // 原最大層級
                if (level <= oldLevel)
                    break;
                HeadIndex newh = h;
                Node oldbase = h.node;    // oldbase指向最底層鏈表的頭結點
                for (int j = oldLevel + 1; j <= level; ++j)
                    newh = new HeadIndex(oldbase, newh, idxs[j], j);
                if (casHead(h, newh)) {
                    h = newh;
                    idx = idxs[level = oldLevel];
                    break;
                }
            }
        }

        /**
         * 以下方法用于鏈接新層級的各個HeadIndex和Index結點
         */
        splice:
        for (int insertionLevel = level; ; ) {  // 此時level為oldLevel,即原最大層級
            int j = h.level;
            for (Index q = h, r = q.right, t = idx; ; ) {
                if (q == null || t == null)
                    break splice;
                if (r != null) {
                    Node n = r.node;

                    int c = cpr(cmp, key, n.key);
                    if (n.value == null) {
                        if (!q.unlink(r))
                            break;
                        r = q.right;
                        continue;
                    }
                    if (c > 0) {
                        q = r;
                        r = r.right;
                        continue;
                    }
                }

                if (j == insertionLevel) {
                    if (!q.link(r, t))      // 在q和r之間插入t,即從 q -> r 變成 q -> t -> r
                        break;
                    if (t.node.value == null) {
                        findNode(key);
                        break splice;
                    }
                    if (--insertionLevel == 0)
                        break splice;
                }

                if (--j >= insertionLevel && j < level)
                    t = t.down;
                q = q.down;
                r = q.right;
            }
        }
    }
    return null;
}

我們先不急著看doPut方法,而是看下其內部的findPredecessor方法,findPredecessor用于查找“小于且最接近給定key”的Node結點,并且這個Node結點必須有上層結點

/**
 * 返回“小于且最接近給定key”的數據結點.
 * 如果不存在這樣的數據結點,則返回底層鏈表的頭結點.
 *
 * @param key 待查找的鍵
 */
private Node findPredecessor(Object key, Comparator cmp) {
    if (key == null)
        throw new NullPointerException();

    /**
     * 從最上層開始,往右下方向查找
   */
    for (; ; ) {
        for (Index q = head, r = q.right, d; ; ) {    // 從最頂層的head結點開始查找
            if (r != null) {             // 存在右結點
                Node n = r.node;
                K k = n.key;
                if (n.value == null) {   // 處理結點”懶刪除“的情況
                    if (!q.unlink(r))
                        break;
                    r = q.right;
                    continue;
                }
                if (cpr(cmp, key, k) > 0) { // key大于k,繼續向右查找
                    q = r;
                    r = r.right;
                    continue;
                }
            }

            //已經到了level1的層
            if ((d = q.down) == null)   // 不存在下結點,說明q已經是level1鏈表中的結點了
                return q.node;          // 直接返回對應的Node結點

       // 轉到下一層,繼續查找(level-1層)
            q = d;
            r = d.right;
        }
    }
}

看代碼不太直觀,我們還是看下面這個圖:

上圖中,假設要查找的Key為72,則步驟如下:

從最上方head指向的結點開始,比較①號標紅的Index結點的key值,發現3小于72,則繼續向右;

比較②號標紅的Index結點的key值,發現62小于72,則繼續向右

由于此時右邊是null,則轉而向下,一直到⑥號標紅結點;

由于⑥號標紅結點的down字段為空(不能再往下了,已經是level1最低層了),則直接返回它的node字段指向的結點,即⑧號結點。

注意:如果我們要查找key為59的Node結點,返回的不是Key為45的結點,而是key為23的結點。讀者可以自己在紙上比劃下。

回到doPut方法,假設現在待插入的Key為3,則當執行完下面這段代碼后,ConcurrentSkipListMap的結構如下:

/**
 * 插入鍵值對.
 *
 * @param onlyIfAbsent true: 僅當Key不存在時才進行插入
 */
private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    Node z;             // z指向待添加的Node結點
    if (key == null)          // ConcurrentSkipListMap的Key不能為null
        throw new NullPointerException();

    Comparator cmp = comparator;
    outer:
    for (; ; ) {
        // b是“是小于且最接近給定key”的Node結點(或底層鏈表頭結點)
        for (Node b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next; ; ) {
            if (n != null) {    // b存在后驅結點:  b -> n -> f
                Object v;
                int c;
                Node f = n.next;          // f指向b的后驅的后驅
                if (n != b.next)                // 存在并發修改,放棄并重試
                    break;
                if ((v = n.value) == null) {    // n為標記刪除結點
                    n.helpDelete(b, f);
                    break;
                }
                if (b.value == null || v == n)  // b為標記刪除結點
                    break;
                if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) > 0) {   // 向后遍歷,找到第一個大于key的結點
                    b = n;
                    n = f;
                    continue;
                }
                if (c == 0) {                           // 存在Key相同的結點
                    if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value)) {
                        V vv = (V) v;
                        return vv;
                    }
                    break; // CAS更新失敗,則重試
                }
            }

            z = new Node(key, value, n);
            if (!b.casNext(n, z))  // 嘗試插入z結點: b -> z -> n
                    break;         // CAS插入失敗,則重試
            break outer;           // 跳出最外層循環
        }

          // ...
    }
}

上面是doPut中的第一個循環,作用就是找到底層鏈表的插入點,然后插入結點(在查找過程中可能會刪除一些已標記的刪除結點)。

插入完成后,doPut方法并沒結束,我們之前說過ConcurrentSkipListMap的分層數是通過一個隨機數生成算法來確定,doPut的后半段,就是這個作用:判斷是否需要增加層級,如果需要就在各層級中插入對應的Index結點。

/**
 * 插入鍵值對.
 *
 * @param onlyIfAbsent true: 僅當Key不存在時才進行插入
 */
private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // ...
    
    int rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed();    // 生成一個隨機數種子
    if ((rnd & 0x80000001) == 0) {                      // 為true表示需要增加層級

        /**
         * 以下方法用于創建新層級
         */
        int level = 1, max;
        while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0) // level表示新的層級,通過下面這個while循環可以確認新的層級數
            ++level;

        Index idx = null;
        HeadIndex h = head;

        if (level <= (max = h.level)) {         // CASE1: 新層級level沒有超過最大層級head.level(head指針指向最高層)
            // 以“頭插法”創建level個Index結點,idx最終指向最高層的Index結點
            for (int i = 1; i <= level; ++i)
                idx = new Index(z, idx, null);
        }
        else {                                  // CASE2: 新層級level超過了最大層級head.level
            level = max + 1;    // 重置level為最大層級+1

            // 生成一個Index結點數組,idxs[0]不會使用
            Index[] idxs = (Index[]) new Index[level + 1];
            for (int i = 1; i <= level; ++i)
                idxs[i] = idx = new Index(z, idx, null);

            // 生成新的HeadIndex結點
            for (; ; ) {
                h = head;
                int oldLevel = h.level;         // 原最大層級
                if (level <= oldLevel)
                    break;
                HeadIndex newh = h;
                Node oldbase = h.node;    // oldbase指向最底層鏈表的頭結點
                for (int j = oldLevel + 1; j <= level; ++j)
                    newh = new HeadIndex(oldbase, newh, idxs[j], j);
                if (casHead(h, newh)) {
                    h = newh;
                    idx = idxs[level = oldLevel];
                    break;
                }
            }
        }

        /**
         * 以下方法用于鏈接新層級的各個HeadIndex和Index結點
         */
        splice:
        for (int insertionLevel = level; ; ) {  // 此時level為oldLevel,即原最大層級
            int j = h.level;
            for (Index q = h, r = q.right, t = idx; ; ) {
                if (q == null || t == null)
                    break splice;
                if (r != null) {
                    Node n = r.node;

                    int c = cpr(cmp, key, n.key);
                    if (n.value == null) {
                        if (!q.unlink(r))
                            break;
                        r = q.right;
                        continue;
                    }
                    if (c > 0) {
                        q = r;
                        r = r.right;
                        continue;
                    }
                }

                if (j == insertionLevel) {
                    if (!q.link(r, t))      // 在q和r之間插入t,即從 q -> r 變成 q -> t -> r
                        break;
                    if (t.node.value == null) {
                        findNode(key);
                        break splice;
                    }
                    if (--insertionLevel == 0)
                        break splice;
                }

                if (--j >= insertionLevel && j < level)
                    t = t.down;
                q = q.down;
                r = q.right;
            }
        }
    }
    return null;
}

最終ConcurrentSkipListMap的結構如下所示:

remove操作

ConcurrentSkipListMap在刪除鍵值對時,不會立即執行刪除,而是通過引入“標記結點”,以“懶刪除”的方式進行,以提高并發效率。

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

remove方法很簡單,內部調用了doRemove方法:

final V doRemove(Object key, Object value) {
    if (key == null)
        throw new NullPointerException();
    Comparator cmp = comparator;
    outer:
    for (; ; ) {
        // b指向“小于且最接近給定key”的Node結點(或底層鏈表頭結點)
        for (Node b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next; ; ) {    // b -> n
            Object v;
            int c;
            if (n == null)
                break outer;
            Node f = n.next;              // b -> n -> f
            if (n != b.next)                    // 一致性判斷
                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)
                break outer;
            if (c > 0) {
                b = n;
                n = f;
                continue;
            }

            // 此時n指向查到的結點

            if (value != null && !value.equals(v))
                break outer;
            if (!n.casValue(v, null))       // 更新查找到的結點的value為null
                break;

            // 在n和f之間添加標記結點,并將b直接指向f
            if (!n.appendMarker(f) || !b.casNext(n, f))  // n -> marker -> f
                findNode(key);                  // retry via findNode
            else {
                findPredecessor(key, cmp);      // 刪除Index結點
                if (head.right == null)         // 減少層級
                    tryReduceLevel();
            }
            V vv = (V) v;
            return vv;
        }
    }
    return null;
}

還是通過示例來理解上述代碼,假設現在要刪除Key==23的結點,刪除前ConcurrentSkipListMap的結構如下:

doRemove方法首先會找到待刪除的結點,在它和后繼結點之間插入一個value為null的標記結點(如下圖中的綠色結點),然后改變其前驅結點的指向:

最后,doRemove會重新調用一遍findPredecessor方法,解除被刪除結點上的Index結點之間的引用:

這樣Key==23的結點其實就被孤立,再后續查找或插入過程中,會被完全清除或被GC回收。

get操作

最后,我們來看下ConcurrentSkipListMap的查找操作——get方法。

public V get(Object key) {
    return doGet(key);
}

內部調用了doGet方法:

private V doGet(Object key) {
    if (key == null)
        throw new NullPointerException();
    Comparator cmp = comparator;
    outer:
    for (; ; ) {

        // b指向“小于且最接近給定key”的Node結點(或底層鏈表頭結點)
        for (Node b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next; ; ) {
            Object v;
            int c;
            if (n == null)
                break outer;
            Node f = n.next;          // b -> n -> f
            if (n != b.next)
                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) {
                V vv = (V) v;
                return vv;
            }
            if (c < 0)
                break outer;
            b = n;
            n = f;
        }
    }
    return null;
}

doGet方法非常簡單:

首先找到“小于且最接近給定key”的Node結點,然后用了三個指針:b -> n -> f,
n用于定位最終查找的Key,然后順著鏈表一步步向下查,比如查找KEY==45,則最終三個指針的位置如下:

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