ConcurrentHashMap 弱一致性解读

大家好，我是桦说编程。

本文将深入解读 ConcurrentHashMap 迭代器的弱一致性实现，帮忙你掌握迭代过程中数据可见性的边界情况。

源码思想

设计目标

ConcurrentHashMap 的迭代器采用弱一致性（Weakly Consistent）设计，而非强一致性。目标是：

• 迭代过程中不抛出 ConcurrentModificationException
• 不加全局锁，保证高并发性能
• 允许迭代期间的并发修改部分可见

核心理念

快照语义 + 实时遍历：迭代器创建时不复制数据，而是直接遍历底层数组。遍历过程中：

• 已遍历的桶位：修改不可见
• 未遍历的桶位：修改可能可见

源码解析

迭代器核心结构

// ConcurrentHashMap.java (JDK 8+)
static class Traverser<K,V> {
    Node<K,V>[] tab;        // 当前遍历的数组
    Node<K,V> next;         // 下一个要返回的节点
    int index;              // 当前桶的索引
    int baseIndex;          // 初始索引
    int baseLimit;          // 遍历上限
    final int baseSize;     // 初始数组大小
}

关键代码：advance() 方法

final Node<K,V> advance() {
    Node<K,V> e;
    if ((e = next) != null)
        e = e.next;  // 【关键】链表遍历，直接读取 next 指针
    for (;;) {
        Node<K,V>[] t; int i, n;
        if (e != null)
            return next = e;
        // 【关键】baseIndex++ 推进到下一个桶
        if (baseIndex >= baseLimit || (t = tab) == null ||
            (n = t.length) <= (i = index) || i < 0)
            return next = null;
        // 【关键】volatile 读取桶位头节点，保证可见性
        if ((e = tabAt(t, i)) != null && e.hash < 0) {
            // 处理 ForwardingNode（扩容中）和 TreeBin
            if (e instanceof ForwardingNode) {
                tab = ((ForwardingNode<K,V>)e).nextTable;
                e = null;
                pushState(t, i, n);
                continue;
            }
            else if (e instanceof TreeBin)
                e = ((TreeBin<K,V>)e).first;
            else
                e = null;
        }
        if (stack != null)
            recoverState(n);
        else if ((index = i + baseSize) >= n)
            index = ++baseIndex;  // 推进 baseIndex
    }
}

核心逻辑：

1. tabAt(t, i) 使用 volatile 语义读取桶位头节点
2. 遍历链表时直接读取 next 指针（非 volatile）
3. baseIndex++ 线性推进，已遍历的桶不会再访问

复杂场景分析

Case 1：迭代过程中删除未遍历的元素 ------ 数据丢失

初始状态：bucket[0]=A, bucket[5]=B, bucket[10]=C
迭代器位置：正在遍历 bucket[0]

并发操作：线程2删除 bucket[10] 的 C

结果：迭代器遍历到 bucket[10] 时，C 已被删除，【数据丢失】

原因：删除发生在未遍历的桶，且删除操作先于迭代器到达该桶。

Case 2：迭代过程中删除已遍历的元素 ------ 仍然返回

初始状态：bucket[0]=A, bucket[5]=B
迭代器位置：已遍历 bucket[0]，返回了 A

并发操作：线程2删除 bucket[0] 的 A

结果：A 已经被迭代器返回，删除不影响迭代结果

原因：迭代器不会回头，已返回的数据不受后续删除影响。

Case 3：迭代过程中新增到未遍历的桶 ------ 可能可见

初始状态：bucket[0]=A, bucket[5]=空
迭代器位置：正在遍历 bucket[0]

并发操作：线程2向 bucket[5] 插入 B

结果：
- 如果插入发生在迭代器到达 bucket[5] 之前，且写入对迭代器可见 → B 会被遍历【新数据加入】
- 如果存在可见性延迟 → B 可能不会被遍历

原因 ：tabAt() 是 volatile 读，能读到最新的桶位头节点。

Case 4：迭代过程中新增到已遍历的桶 ------ 不可见

初始状态：bucket[0]=A, bucket[5]=B
迭代器位置：已遍历 bucket[0]

并发操作：线程2向 bucket[0] 插入 C

结果：C 不会被迭代器返回【新数据丢失】

原因 ：迭代器的 baseIndex 已经推进，不会回头遍历 bucket[0]。

Case 5：迭代过程中修改当前链表的后继节点 ------ 可能可见

初始状态：bucket[0] 链表为 A -> B -> C
迭代器位置：刚返回 A，next 指向 B

并发操作：线程2将 B.next 从 C 改为 D

结果：
- 迭代器下一次调用 next() 返回 B
- 再下一次读取 B.next，可能读到 C 或 D（取决于可见性）

原因 ：链表节点的 next 字段不是 volatile，存在可见性问题。

Case 6：扩容期间的迭代 ------ 保证遍历完整性（深入分析）

核心思想

扩容时迭代器需要同时遍历旧表和新表 ，且支持递归扩容 （扩容过程中再次扩容）。通过 stack 保存旧表状态，遍历完新表后恢复旧表继续遍历。

JDK 源码注释（原文翻译）

/*
 * Traversal（遍历）必须处理以下情况：
 * 1. 遍历开始后的表扩容
 * 2. 遍历过程中遇到 ForwardingNode（表示该桶已迁移到新表）
 *
 * 核心策略：
 * - 当遇到 ForwardingNode 时，切换到新表继续遍历
 * - 使用 TableStack 保存旧表的遍历状态
 * - 遍历完新表对应区域后，恢复旧表状态继续
 * - 支持嵌套扩容（扩容中再扩容）
 *
 * 遍历顺序：
 * - 正常情况：按 baseIndex 顺序遍历 [0, 1, 2, ..., n-1]
 * - 扩容时：深度优先，先遍历新表，再回到旧表
 */

TableStack 结构

/**
 * 用于保存/恢复遍历状态的栈结构
 * 当遇到 ForwardingNode 时 push，遍历完新表后 pop 恢复
 */
static final class TableStack<K,V> {
    int length;             // 旧表长度
    int index;              // 旧表中下一个要遍历的索引
    Node<K,V>[] tab;        // 旧表引用
    TableStack<K,V> next;   // 链表结构，支持嵌套扩容
}

// Traverser 中的字段
TableStack<K,V> stack;      // 状态栈
TableStack<K,V> spare;      // 【优化】对象池，避免频繁 new

pushState：保存旧表状态

/**
 * 遇到 ForwardingNode 时调用，保存当前遍历状态
 */
private void pushState(Node<K,V>[] t, int i, int n) {
    TableStack<K,V> s = spare;  // 【优化】优先复用 spare 对象
    if (s != null)
        spare = s.next;         // spare 是单链表，取头节点
    else
        s = new TableStack<K,V>();  // spare 为空才 new
    s.tab = t;                  // 保存旧表引用
    s.length = n;               // 保存旧表长度
    s.index = i;                // 保存旧表当前索引
    s.next = stack;             // 压栈
    stack = s;
}

recoverState：恢复旧表状态

/**
 * 新表遍历完成后，恢复旧表状态继续遍历
 * @param n 当前表长度，用于判断是否需要恢复
 */
private void recoverState(int n) {
    TableStack<K,V> s; int len;
    // 循环处理：可能有多层嵌套扩容
    while ((s = stack) != null && (index += (len = s.length)) >= n) {
        n = len;
        index = s.index;        // 恢复旧表索引
        tab = s.tab;            // 恢复旧表引用
        s.tab = null;           // help GC
        TableStack<K,V> next = s.next;
        s.next = spare;         // 【优化】用完的对象放回 spare 池
        stack = next;           // 弹栈
        spare = s;
    }
    // 调整 index 到下一个要遍历的位置
    if (s == null && (index += baseSize) >= n)
        index = ++baseIndex;
}

spare 对象池优化

spare 设计目的：避免扩容遍历时频繁创建 TableStack 对象

工作流程：
1. pushState 时：优先从 spare 取对象，没有才 new
2. recoverState 时：用完的对象放回 spare

效果：
- 单次扩容：最多 new 1 个 TableStack
- 嵌套扩容：复用已有对象，减少 GC 压力

遍历顺序变化图解

【正常遍历】按 baseIndex 顺序
tab[16]: [0] -> [1] -> [2] -> ... -> [15]
         ↑
      baseIndex++

【扩容时遍历】深度优先，先新表后旧表

假设在遍历 tab[16] 的 index=5 时触发扩容：

旧表 tab[16]:  [0] [1] [2] [3] [4] [5:FWD] [6] ... [15]
                                    ↓ pushState
新表 tab[32]:  遍历 index=5 和 index=5+16=21 的桶
                                    ↓ recoverState
旧表 tab[16]:  继续从 [6] 遍历 ... [15]

遍历顺序：[0,1,2,3,4] -> [5的新表位置,21的新表位置] -> [6,7,...,15]

扩容遍历的完整流程

1. 迭代器在旧表 index=i 遇到 ForwardingNode
2. pushState(oldTab, i, oldLen) - 保存旧表状态到 stack
3. tab = ForwardingNode.nextTable - 切换到新表
4. 在新表中遍历 index=i 和 index=i+oldLen 两个位置
   (因为扩容后，原桶的元素会分散到这两个位置)
5. 新表对应位置遍历完，recoverState 恢复旧表状态
6. 继续旧表 index=i+1 的遍历
7. 如果新表中又遇到 ForwardingNode（嵌套扩容），重复 2-6

数据可见性总结表

场景	操作位置	操作类型	迭代器可见性
Case 1	未遍历的桶	删除	不可见（数据丢失）
Case 2	已遍历的桶	删除	已返回，不影响
Case 3	未遍历的桶	新增	可能可见
Case 4	已遍历的桶	新增	不可见
Case 5	当前链表后继	修改	可能可见
Case 6	扩容	结构变化	保证完整遍历

完整示例

import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class ConcurrentHashMapWeakConsistencyDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // Case 1: 删除未遍历的元素 - 数据丢失
        System.out.println("=== Case 1: 删除未遍历的元素 ===");
        testDeleteUnvisited();

        // Case 2: 新增到未遍历的桶 - 可能可见
        System.out.println("\n=== Case 2: 新增到未遍历的桶 ===");
        testAddToUnvisited();

        // Case 3: 新增到已遍历的桶 - 不可见
        System.out.println("\n=== Case 3: 新增到已遍历的桶 ===");
        testAddToVisited();
    }

    static void testDeleteUnvisited() throws InterruptedException {
        ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        // 插入多个元素，确保分布在不同桶
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            map.put(i, "value-" + i);
        }

        CountDownLatch iteratorStarted = new CountDownLatch(1);
        CountDownLatch deleteCompleted = new CountDownLatch(1);

        int[] iteratedCount = {0};
        int[] foundKey50 = {0};

        Thread iteratorThread = new Thread(() -> {
            Iterator<Map.Entry<Integer, String>> it = map.entrySet().iterator();
            iteratorStarted.countDown();
            try {
                deleteCompleted.await(); // 等待删除完成
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            while (it.hasNext()) {
                Map.Entry<Integer, String> entry = it.next();
                iteratedCount[0]++;
                if (entry.getKey() == 50) {
                    foundKey50[0] = 1;
                }
            }
        });

        Thread deleteThread = new Thread(() -> {
            try {
                iteratorStarted.await(); // 等待迭代器创建
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            map.remove(50); // 删除 key=50
            deleteCompleted.countDown();
        });

        iteratorThread.start();
        deleteThread.start();
        iteratorThread.join();
        deleteThread.join();

        System.out.println("原始大小: 100, 迭代数量: " + iteratedCount[0]);
        System.out.println("key=50 是否被迭代到: " + (foundKey50[0] == 1 ? "是" : "否（数据丢失）"));
    }

    static void testAddToUnvisited() throws InterruptedException {
        ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            map.put(i, "value-" + i);
        }

        int[] iteratedCount = {0};
        int[] foundKey999 = {0};

        Thread iteratorThread = new Thread(() -> {
            Iterator<Map.Entry<Integer, String>> it = map.entrySet().iterator();
            int count = 0;
            while (it.hasNext()) {
                Map.Entry<Integer, String> entry = it.next();
                iteratedCount[0]++;
                if (entry.getKey() == 999) {
                    foundKey999[0] = 1;
                }
                // 第一次迭代后，让另一个线程插入
                if (count == 0) {
                    try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException ignored) {}
                }
                count++;
            }
        });

        Thread addThread = new Thread(() -> {
            try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException ignored) {}
            map.put(999, "new-value"); // 插入新元素
        });

        iteratorThread.start();
        addThread.start();
        iteratorThread.join();
        addThread.join();

        System.out.println("原始大小: 10, 最终map大小: " + map.size() + ", 迭代数量: " + iteratedCount[0]);
        System.out.println("key=999 是否被迭代到: " + (foundKey999[0] == 1 ? "是（新数据可见）" : "否"));
    }

    static void testAddToVisited() {
        ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();
        map.put(1, "one");

        Iterator<Map.Entry<Integer, String>> it = map.entrySet().iterator();

        // 先遍历第一个元素
        if (it.hasNext()) {
            System.out.println("遍历到: " + it.next());
        }

        // 在遍历后插入到同一个桶（通过 hash 冲突）
        map.put(1 + 16, "new-after-visit"); // 假设初始容量16，会落入相邻桶
        map.put(1, "updated-one"); // 更新已遍历的 key

        int count = 0;
        while (it.hasNext()) {
            System.out.println("继续遍历到: " + it.next());
            count++;
        }

        System.out.println("后续遍历数量: " + count);
        System.out.println("说明: 已遍历桶的修改通常不会被看到");
    }
}

运行输出示例：

=== Case 1: 删除未遍历的元素 ===
原始大小: 100, 迭代数量: 99
key=50 是否被迭代到: 否（数据丢失）

=== Case 2: 新增到未遍历的桶 ===
原始大小: 10, 最终map大小: 11, 迭代数量: 11
key=999 是否被迭代到: 是（新数据可见）

=== Case 3: 新增到已遍历的桶 ===
遍历到: 1=one
继续遍历到: 17=new-after-visit
后续遍历数量: 1
说明: 已遍历桶的修改通常不会被看到

扩容遍历顺序演示

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
 * 演示 ConcurrentHashMap 扩容时迭代器的遍历顺序变化
 *
 * 核心观察点：
 * 1. 正常遍历：按桶位顺序 [0,1,2,...,n-1]
 * 2. 扩容遍历：深度优先，遇到 ForwardingNode 先遍历新表
 */
public class ResizeTraversalOrderDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("=== 1. 正常遍历顺序 ===");
        normalTraversalOrder();

        System.out.println("\n=== 2. 扩容时遍历顺序（模拟） ===");
        explainResizeTraversal();

        System.out.println("\n=== 3. 验证扩容不丢数据 ===");
        verifyResizeCompleteness();
    }

    /**
     * 演示正常情况下的遍历顺序
     */
    static void normalTraversalOrder() throws Exception {
        ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>(16);

        // 精心选择 key，使其分布在不同桶位
        // hash & (n-1) 决定桶位，n=16 时，桶位 = hash & 15
        int[] keys = {0, 1, 2, 16, 17, 32}; // 桶位分别是 0,1,2,0,1,0
        for (int key : keys) {
            map.put(key, "v" + key);
        }

        System.out.println("Map 内容: " + map);
        System.out.println("遍历顺序（按桶位）:");

        List<Integer> order = new ArrayList<>();
        for (Integer key : map.keySet()) {
            order.add(key);
            int bucket = key & 15; // 假设容量16
            System.out.println("  key=" + key + " (桶位≈" + (key % 16) + ")");
        }
    }

    /**
     * 图解扩容时的遍历逻辑
     */
    static void explainResizeTraversal() {
        System.out.println("""
            扩容遍历原理图解：

            【场景】容量 16 扩容到 32，迭代器正在遍历

            旧表[16]:  [0] [1] [2] [3] [4] [5:FWD] [6] [7] ... [15]
                        ↓   ↓   ↓   ↓   ↓     ↓
            已遍历 ─────────────────────┘     │
                                              │ 遇到 ForwardingNode
                                              ↓
            新表[32]:                    [5]      [21]  (5+16=21)
                                          ↓        ↓
                                       遍历新表对应位置
                                              │
                                              ↓ recoverState
            旧表[16]:                              [6] [7] ... [15]
                                                   ↓
                                               继续旧表遍历

            【遍历顺序】
            旧表: 0 → 1 → 2 → 3 → 4 → (遇到FWD)
            新表:                      → 5 → 21
            旧表:                               → 6 → 7 → ... → 15

            【关键点】
            1. index 跳跃：新表中遍历 i 和 i+oldLen 两个位置
            2. 深度优先：先完成新表，再回旧表
            3. 不重不漏：通过 stack 保证状态正确恢复
            """);
    }

    /**
     * 验证扩容过程中遍历的完整性
     */
    static void verifyResizeCompleteness() throws InterruptedException {
        // 使用较小初始容量，容易触发扩容
        ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>(4, 0.75f);

        // 插入足够多的元素，确保会扩容
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            map.put(i, "value-" + i);
        }

        // 记录所有遍历到的 key
        List<Integer> traversedKeys = new ArrayList<>();

        // 边遍历边插入，触发扩容
        Iterator<Integer> it = map.keySet().iterator();
        int count = 0;
        while (it.hasNext()) {
            Integer key = it.next();
            traversedKeys.add(key);
            count++;

            // 在遍历过程中继续插入，可能触发扩容
            if (count == 50) {
                for (int i = 100; i < 200; i++) {
                    map.put(i, "value-" + i);
                }
                System.out.println("遍历到第50个时插入了100个新元素");
            }
        }

        System.out.println("最终 map 大小: " + map.size());
        System.out.println("遍历到的元素数: " + traversedKeys.size());

        // 验证原始100个元素是否都被遍历到
        int originalKeysTraversed = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (traversedKeys.contains(i)) {
                originalKeysTraversed++;
            }
        }
        System.out.println("原始100个key遍历到: " + originalKeysTraversed + " 个");

        // 统计新插入的元素有多少被遍历到
        int newKeysTraversed = 0;
        for (int i = 100; i < 200; i++) {
            if (traversedKeys.contains(i)) {
                newKeysTraversed++;
            }
        }
        System.out.println("新插入100个key遍历到: " + newKeysTraversed + " 个（弱一致性，可能部分可见）");
    }
}

运行输出示例：

=== 1. 正常遍历顺序 ===
Map 内容: {0=v0, 32=v32, 16=v16, 1=v1, 17=v17, 2=v2}
遍历顺序（按桶位）:
  key=0 (桶位≈0)
  key=32 (桶位≈0)
  key=16 (桶位≈0)
  key=1 (桶位≈1)
  key=17 (桶位≈1)
  key=2 (桶位≈2)

=== 2. 扩容时遍历顺序（模拟） ===
扩容遍历原理图解：

【场景】容量 16 扩容到 32，迭代器正在遍历
...

=== 3. 验证扩容不丢数据 ===
遍历到第50个时插入了100个新元素
最终 map 大小: 200
遍历到的元素数: 156
原始100个key遍历到: 100 个
新插入100个key遍历到: 56 个（弱一致性，可能部分可见）

实战借鉴

设计思想：弱一致性换高性能

源码做法：放弃强一致性保证，不加全局锁，允许迭代器看到部分并发修改。

借鉴场景：缓存遍历、监控数据采集等对实时性要求不高的场景。

示例代码：

public class MetricsCollector {
    private final ConcurrentHashMap<String, Long> metrics = new ConcurrentHashMap<>();

    public static void main(String[] args) {
        MetricsCollector collector = new MetricsCollector();
        // 模拟并发更新
        collector.metrics.put("api.latency", 100L);
        collector.metrics.put("api.count", 1000L);

        // 采集时允许弱一致性，不影响业务逻辑
        collector.collectSnapshot().forEach((k, v) ->
            System.out.println(k + " = " + v)
        );
    }

    // 采集快照，允许弱一致性
    public Map<String, Long> collectSnapshot() {
        Map<String, Long> snapshot = new HashMap<>();
        // 遍历期间的并发更新可能部分可见，但不影响监控准确性
        metrics.forEach(snapshot::put);
        return snapshot;
    }
}

设计思想：不可变快照的替代

源码做法：不复制数据，直接遍历底层结构。

借鉴场景：当复制成本过高时，接受弱一致性比强制复制更优。

总结

• 核心思想：弱一致性是性能与一致性的权衡，迭代器不加锁，允许并发修改部分可见
• 关键技巧 ：baseIndex 单向推进 + volatile 读桶位头节点 + 扩容跟随
• 实战价值：理解弱一致性边界，避免在需要强一致性的场景误用 ConcurrentHashMap 迭代器

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