##前言
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap,
java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 雖然效果不錯，但其實現相當複雜。在開發一款工具的過程中，由於無法使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap (工具的目標之一就是跟蹤 ConcurrentHashMap 內部實現) 因此筆者決定自己實現一個 “乞丐版” computeIfAbsent 方法。這樣一個簡單可擴展的 ConcurrentHashMap 就唾手可得。
##1 算法
算法基於 Jeff Preshing[1] 與 Cliff Click[2] 博士的工作，使用了帶線性探測的開放尋址。開放尋址即 key-value 存儲在一個數組中。指向 key-value 的 index 等於 hashcode 對數組大小取模。線性探測表示，如果數組元素已佔用則使用下一個數組元素。循環往復直到發現一個空的 slot。下面的示例中，在兩個已佔用的 slot 後面插入新元素：
爲了保證算法的併發性，需要使用 compareAndSet 在空 slot 中填入新元素。這樣可以保證“檢查是否爲 null 與填入新元素"是原子(atomic)操作。如果 compareAndSet 順利執行就成功地插入了一個新元素，返回該元素；如果執行失敗，則需要檢查是否其他線程使用了相同的 key 進行插入操作。接着尋找下一個空 slot 繼續嘗試。算法源代碼如下：
private static final VarHandle ARRAY =
1 工作原理上述方案之所以可以奏效，當線程讀到的數組位置已填充元素則元素不變同時 key 也不變。唯一需要確認是，當前讀取元素爲 null 時另一個線程是否在這裏進行了修改。上面通過使用 compareAndSet 確保了這種意外情況不會發生。由於算法本身不會移除 key 且 key 本身不可變 (immutable) 因此算法成立。
##2 改變大小
在調整大小過程中，需要確保新增元素不丟失即不更新當前數組。具體的做法，會把數組中每個空元素設爲特殊值 MOVED_NULL_KEY。看到這個值，線程知道當前正在進行大小調整。待調整結束再插入元素。
HashMap 調整大小步驟如下：
- 把數組中所有值爲 null 的元素設爲 MOVED_NULL_KEY；
- 創建新數組；
- 拷貝所有當前數組的值到新數組；
- 設置 currentArray 爲新數組。
實現代碼：
private static final Object MOVED_NULL_KEY = new Object();
3 基準測試
不同 HashMap 的實現取決於具體負載以及哈希函數，測試結果僅供參考。下面使用 JMH 用隨機數 key 調用 computeIfAbsent。基準測試方法的代碼如下：
測試環境：Intel Xeon Platinum 8124M CPU @ 3.00GHz, 兩個 CPU 插槽 (18核/槽), 每個核心啓動2個硬件線程；JVM 使用 Amazon Corretto 11。
新算法的 map 大小與ConcurrentHashMap 類似。500萬隨機key， java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 需要285M字節，新 map 需要253M字節。
##4 差異分析
如果其他線程已更新空 slot，新 map 會進行重試。java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 使用 array bin 作爲同步塊監視器，因此同一時刻只有一個線程修改 bin 中的內容。由此帶來了差異：新 map 會多次調用回調函數進行計算，每次更新失敗會調用一次方法；而 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 最多隻計算一次。
5 總結
自己實現的 computeIfAbsent 比 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 擴展性更好。文中的算法之所以簡單，因爲沒有涉及元素刪除以及 key 的改變。可以用來存儲 class 以及相關元數據。