Java并发指南14：Java并发容器ConcurrentSkipListMap与CopyOnWriteArrayList

原文出处http://cmsblogs.com/ 『chenssy』

到目前为止，我们在Java世界里看到了两种实现key-value的数据结构：Hash、TreeMap，这两种数据结构各自都有着优缺点。

Hash表：插入、查找最快，为O(1)；如使用链表实现则可实现无锁；数据有序化需要显式的排序操作。
红黑树：插入、查找为O(logn)，但常数项较小；无锁实现的复杂性很高，一般需要加锁；数据天然有序。

然而，这次介绍第三种实现key-value的数据结构：SkipList。SkipList有着不低于红黑树的效率，但是其原理和实现的复杂度要比红黑树简单多了。

SkipList

什么是SkipList？Skip List ，称之为跳表，它是一种可以替代平衡树的数据结构，其数据元素默认按照key值升序，天然有序。Skip list让已排序的数据分布在多层链表中，以0-1随机数决定一个数据的向上攀升与否，通过“空间来换取时间”的一个算法，在每个节点中增加了向前的指针，在插入、删除、查找时可以忽略一些不可能涉及到的结点，从而提高了效率。

我们先看一个简单的链表，如下：

如果我们需要查询9、21、30，则需要比较次数为3 + 6 + 8 = 17 次，那么有没有优化方案呢？有！我们将该链表中的某些元素提炼出来作为一个比较“索引”，如下：

我们先与这些索引进行比较来决定下一个元素是往右还是下走，由于存在“索引”的缘故，导致在检索的时候会大大减少比较的次数。当然元素不是很多，很难体现出优势，当元素足够多的时候，这种索引结构就会大显身手。

SkipList的特性

SkipList具备如下特性：

由很多层结构组成，level是通过一定的概率随机产生的
每一层都是一个有序的链表，默认是升序，也可以根据创建映射时所提供的Comparator进行排序，具体取决于使用的构造方法
最底层(Level 1)的链表包含所有元素
如果一个元素出现在Level i 的链表中，则它在Level i 之下的链表也都会出现
每个节点包含两个指针，一个指向同一链表中的下一个元素，一个指向下面一层的元素

我们将上图再做一些扩展就可以变成一个典型的SkipList结构了

SkipList的查找

SkipListd的查找算法较为简单，对于上面我们我们要查找元素21，其过程如下：

比较3，大于，往后找（9），
比9大，继续往后找（25），但是比25小，则从9的下一层开始找（16）
16的后面节点依然为25，则继续从16的下一层找
找到21

如图

红色虚线代表路径。

SkipList的插入

SkipList的插入操作主要包括：

查找合适的位置。这里需要明确一点就是在确认新节点要占据的层次K时，采用丢硬币的方式，完全随机。如果占据的层次K大于链表的层次，则重新申请新的层，否则插入指定层次
申请新的节点
调整指针

假定我们要插入的元素为23，经过查找可以确认她是位于25后，9、16、21前。当然需要考虑申请的层次K。

如果层次K > 3

需要申请新层次（Level 4）

如果层次 K = 2

直接在Level 2 层插入即可

这里会涉及到以个算法：通过丢硬币决定层次K，该算法我们通过后面ConcurrentSkipListMap源码来分析。还有一个需要注意的地方就是，在K层插入元素后，需要确保所有小于K层的层次都应该出现新节点。

SkipList的删除

删除节点和插入节点思路基本一致：找到节点，删除节点，调整指针。

比如删除节点9，如下：

ConcurrentSkipListMap

通过上面我们知道SkipList采用空间换时间的算法，其插入和查找的效率O(logn)，其效率不低于红黑树，但是其原理和实现的复杂度要比红黑树简单多了。一般来说会操作链表List，就会对SkipList毫无压力。

ConcurrentSkipListMap其内部采用SkipLis数据结构实现。为了实现SkipList，ConcurrentSkipListMap提供了三个内部类来构建这样的链表结构：Node、Index、HeadIndex。其中Node表示最底层的单链表有序节点、Index表示为基于Node的索引层，HeadIndex用来维护索引层次。到这里我们可以这样说ConcurrentSkipListMap是通过HeadIndex维护索引层次，通过Index从最上层开始往下层查找，一步一步缩小查询范围，最后到达最底层Node时，就只需要比较很小一部分数据了。在JDK中的关系如下图：

** Node **

    static final class Node<K,V> {final K key;volatile Object value;volatile ConcurrentSkipListMap.Node<K, V> next;/** 省略些许代码 */}static final class Node<K,V> {final K key;volatile Object value;volatile ConcurrentSkipListMap.Node<K, V> next;/** 省略些许代码 */}

Node的结构和一般的单链表毫无区别，key-value和一个指向下一个节点的next。

Index

    static class Index<K,V> {final ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> node;final ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> down;volatile ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> right;/** 省略些许代码 */}static class Index<K,V> {final ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> node;final ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> down;volatile ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> right;/** 省略些许代码 */}

Index提供了一个基于Node节点的索引Node，一个指向下一个Index的right，一个指向下层的down节点。

HeadIndex

    static final class HeadIndex<K,V> extends Index<K,V> {final int level;  //索引层，从1开始，Node单链表层为0HeadIndex(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right, int level) {super(node, down, right);this.level = level;}}static final class HeadIndex<K,V> extends Index<K,V> {final int level;  //索引层，从1开始，Node单链表层为0HeadIndex(Node<K,V> node, Index<K,V> down, Index<K,V> right, int level) {super(node, down, right);this.level = level;}}

HeadIndex内部就一个level来定义层级。

ConcurrentSkipListMap提供了四个构造函数，每个构造函数都会调用initialize()方法进行初始化工作。

    final void initialize() {keySet = null;entrySet = null;values = null;descendingMap = null;randomSeed = seedGenerator.nextInt() | 0x0100; // ensure nonzerohead = new ConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V>(new ConcurrentSkipListMap.Node<K,V>(null, BASE_HEADER, null),null, null, 1);}final void initialize() {keySet = null;entrySet = null;values = null;descendingMap = null;randomSeed = seedGenerator.nextInt() | 0x0100; // ensure nonzerohead = new ConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V>(new ConcurrentSkipListMap.Node<K,V>(null, BASE_HEADER, null),null, null, 1);}

注意，initialize()方法不仅仅只在构造函数中被调用，如clone，clear、readObject时都会调用该方法进行初始化步骤。这里需要注意randomSeed的初始化。

 private transient int randomSeed;randomSeed = seedGenerator.nextInt() | 0x0100; // ensure nonzeroprivate transient int randomSeed;randomSeed = seedGenerator.nextInt() | 0x0100; // ensure nonzero

randomSeed一个简单的随机数生成器（在后面介绍）。

put操作

CoucurrentSkipListMap提供了put()方法用于将指定值与此映射中的指定键关联。源码如下：

    public V put(K key, V value) {if (value == null)throw new NullPointerException();return doPut(key, value, false);}public V put(K key, V value) {if (value == null)throw new NullPointerException();return doPut(key, value, false);}

首先判断value如果为null，则抛出NullPointerException，否则调用doPut方法，其实如果各位看过JDK的源码的话，应该对这样的操作很熟悉了，JDK源码里面很多方法都是先做一些必要性的验证后，然后通过调用do**()方法进行真正的操作。

doPut()方法内容较多，我们分步分析。

    private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {Node<K,V> z;             // added nodeif (key == null)throw new NullPointerException();// 比较器Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) {for (Node<K, V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next; ; ) {/** 省略代码 */private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {Node<K,V> z;             // added nodeif (key == null)throw new NullPointerException();// 比较器Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) {for (Node<K, V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next; ; ) {/** 省略代码 */

doPut()方法有三个参数，除了key,value外还有一个boolean类型的onlyIfAbsent，该参数作用与如果存在当前key时，该做何动作。当onlyIfAbsent为false时，替换value，为true时，则返回该value。用代码解释为：

   if (!map.containsKey(key))return map.put(key, value);elsereturn map.get(key);if (!map.containsKey(key))return map.put(key, value);elsereturn map.get(key);

首先判断key是否为null，如果为null，则抛出NullPointerException，从这里我们可以确认ConcurrentSkipList是不支持key或者value为null的。然后调用findPredecessor()方法，传入key来确认位置。findPredecessor()方法其实就是确认key要插入的位置。

   private Node<K,V> findPredecessor(Object key, Comparator<? super K> cmp) {if (key == null)throw new NullPointerException(); // don't postpone errorsfor (;;) {// 从head节点开始，head是level最高级别的headIndexfor (Index<K,V> q = head, r = q.right, d;;) {// r != null，表示该节点右边还有节点，需要比较if (r != null) {Node<K,V> n = r.node;K k = n.key;// value == null，表示该节点已经被删除了// 通过unlink()方法过滤掉该节点if (n.value == null) {//删掉r节点if (!q.unlink(r))break;           // restartr = q.right;         // reread rcontinue;}// value != null，节点存在// 如果key 大于r节点的key 则往前进一步if (cpr(cmp, key, k) > 0) {q = r;r = r.right;continue;}}// 到达最右边，如果dowm == null，表示指针已经达到最下层了，直接返回该节点if ((d = q.down) == null)return q.node;q = d;r = d.right;}}}private Node<K,V> findPredecessor(Object key, Comparator<? super K> cmp) {if (key == null)throw new NullPointerException(); // don't postpone errorsfor (;;) {// 从head节点开始，head是level最高级别的headIndexfor (Index<K,V> q = head, r = q.right, d;;) {// r != null，表示该节点右边还有节点，需要比较if (r != null) {Node<K,V> n = r.node;K k = n.key;// value == null，表示该节点已经被删除了// 通过unlink()方法过滤掉该节点if (n.value == null) {//删掉r节点if (!q.unlink(r))break;           // restartr = q.right;         // reread rcontinue;}// value != null，节点存在// 如果key 大于r节点的key 则往前进一步if (cpr(cmp, key, k) > 0) {q = r;r = r.right;continue;}}// 到达最右边，如果dowm == null，表示指针已经达到最下层了，直接返回该节点if ((d = q.down) == null)return q.node;q = d;r = d.right;}}}

findPredecessor()方法意思非常明确：寻找前辈。从最高层的headIndex开始向右一步一步比较，直到right为null或者右边节点的Node的key大于当前key为止，然后再向下寻找，依次重复该过程，直到down为null为止，即找到了前辈，看返回的结果注意是Node，不是Item，所以插入的位置应该是最底层的Node链表。

在这个过程中ConcurrentSkipListMap赋予了该方法一个其他的功能，就是通过判断节点的value是否为null，如果为null，表示该节点已经被删除了，通过调用unlink()方法删除该节点。

        final boolean unlink(Index<K,V> succ) {return node.value != null && casRight(succ, succ.right);}final boolean unlink(Index<K,V> succ) {return node.value != null && casRight(succ, succ.right);}

删除节点过程非常简单，更改下right指针即可。

通过findPredecessor()找到前辈节点后，做什么呢？看下面：

 for (Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {// 前辈节点的next != nullif (n != null) {Object v; int c;Node<K,V> f = n.next;// 不一致读，主要原因是并发，有节点捷足先登if (n != b.next)               // inconsistent readbreak;// n.value == null，该节点已经被删除了if ((v = n.value) == null) {   // n is deletedn.helpDelete(b, f);break;}// 前辈节点b已经被删除if (b.value == null || v == n) // b is deletedbreak;// 节点大于，往前移if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) > 0) {b = n;n = f;continue;}// c == 0 表示，找到一个key相等的节点，根据onlyIfAbsent参数来做判断// onlyIfAbsent ==false，则通过casValue，替换value// onlyIfAbsent == true，返回该valueif (c == 0) {if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value)) {@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}break; // restart if lost race to replace value}// else c < 0; fall through}// 将key-value包装成一个node，插入z = new Node<K,V>(key, value, n);if (!b.casNext(n, z))break;         // restart if lost race to append to bbreak outer;}for (Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {// 前辈节点的next != nullif (n != null) {Object v; int c;Node<K,V> f = n.next;// 不一致读，主要原因是并发，有节点捷足先登if (n != b.next)               // inconsistent readbreak;// n.value == null，该节点已经被删除了if ((v = n.value) == null) {   // n is deletedn.helpDelete(b, f);break;}// 前辈节点b已经被删除if (b.value == null || v == n) // b is deletedbreak;// 节点大于，往前移if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) > 0) {b = n;n = f;continue;}// c == 0 表示，找到一个key相等的节点，根据onlyIfAbsent参数来做判断// onlyIfAbsent ==false，则通过casValue，替换value// onlyIfAbsent == true，返回该valueif (c == 0) {if (onlyIfAbsent || n.casValue(v, value)) {@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}break; // restart if lost race to replace value}// else c < 0; fall through}// 将key-value包装成一个node，插入z = new Node<K,V>(key, value, n);if (!b.casNext(n, z))break;         // restart if lost race to append to bbreak outer;}

找到合适的位置后，就是在该位置插入节点咯。插入节点的过程比较简单，就是将key-value包装成一个Node，然后通过casNext()方法加入到链表当中。当然是插入之前需要进行一系列的校验工作。

在最下层插入节点后，下一步工作是什么？新建索引。前面博主提过，在插入节点的时候，会根据采用抛硬币的方式来决定新节点所插入的层次，由于存在并发的可能，ConcurrentSkipListMap采用ThreadLocalRandom来生成随机数。如下：

int rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed(); rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed();

抛硬币决定层次的思想很简单，就是通过抛硬币如果硬币为正面则层次level + 1 ，否则停止，如下：

            // 抛硬币决定层次while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0)++level;// 抛硬币决定层次while (((rnd >>>= 1) & 1) != 0)++level;

在阐述SkipList插入节点的时候说明了，决定的层次level会分为两种情况进行处理，一是如果层次level大于最大的层次话则需要新增一层，否则就在相应层次以及小于该level的层次进行节点新增处理。

level <= headIndex.level

            // 如果决定的层次level比最高层次head.level小，直接生成最高层次的index// 由于需要确认每一层次的down，所以需要从最下层依次往上生成if (level <= (max = h.level)) {for (int i = 1; i <= level; ++i)idx = new ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>(z, idx, null);}// 如果决定的层次level比最高层次head.level小，直接生成最高层次的index// 由于需要确认每一层次的down，所以需要从最下层依次往上生成if (level <= (max = h.level)) {for (int i = 1; i <= level; ++i)idx = new ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>(z, idx, null);}

从底层开始，小于level的每一层都初始化一个index，每次的node都指向新加入的node，down指向下一层的item，右侧next全部为null。整个处理过程非常简单：为小于level的每一层初始化一个index，然后加入到原来的index链条中去。

level > headIndex.level

           // leve > head.level 则新增一层else { // try to grow by one level// 新增一层level = max + 1;// 初始化 level个item节点@SuppressWarnings("unchecked")ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>[] idxs =(ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>[])new ConcurrentSkipListMap.Index<?,?>[level+1];for (int i = 1; i <= level; ++i)idxs[i] = idx = new ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>(z, idx, null);//for (;;) {h = head;int oldLevel = h.level;// 层次扩大了，需要重新开始（有新线程节点加入）if (level <= oldLevel) // lost race to add levelbreak;// 新的头结点HeadIndexConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V> newh = h;ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> oldbase = h.node;// 生成新的HeadIndex节点，该HeadIndex指向新增层次for (int j = oldLevel+1; j <= level; ++j)newh = new ConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V>(oldbase, newh, idxs[j], j);// HeadIndex CAS替换if (casHead(h, newh)) {h = newh;idx = idxs[level = oldLevel];break;}}// leve > head.level 则新增一层else { // try to grow by one level// 新增一层level = max + 1;// 初始化 level个item节点@SuppressWarnings("unchecked")ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>[] idxs =(ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>[])new ConcurrentSkipListMap.Index<?,?>[level+1];for (int i = 1; i <= level; ++i)idxs[i] = idx = new ConcurrentSkipListMap.Index<K,V>(z, idx, null);//for (;;) {h = head;int oldLevel = h.level;// 层次扩大了，需要重新开始（有新线程节点加入）if (level <= oldLevel) // lost race to add levelbreak;// 新的头结点HeadIndexConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V> newh = h;ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> oldbase = h.node;// 生成新的HeadIndex节点，该HeadIndex指向新增层次for (int j = oldLevel+1; j <= level; ++j)newh = new ConcurrentSkipListMap.HeadIndex<K,V>(oldbase, newh, idxs[j], j);// HeadIndex CAS替换if (casHead(h, newh)) {h = newh;idx = idxs[level = oldLevel];break;}}

当抛硬币决定的level大于最大层次level时，需要新增一层进行处理。处理逻辑如下：

初始化一个对应的index数组，大小为level + 1，然后为每个单位都创建一个index，个中参数为：Node为新增的Z，down为下一层index，right为null
通过for循环来进行扩容操作。从最高层进行处理，新增一个HeadIndex，个中参数：节点Node，down都为最高层的Node和HeadIndex，right为刚刚创建的对应层次的index，level为相对应的层次level。最后通过CAS把当前的head与新加入层的head进行替换。

通过上面步骤我们发现，尽管已经找到了前辈节点，也将node插入了，也确定确定了层次并生成了相应的Index，但是并没有将这些Index插入到相应的层次当中，所以下面的代码就是将index插入到相对应的层当中。

  // 从插入的层次level开始splice: for (int insertionLevel = level;;) {int j = h.level;//  从headIndex开始for (ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> q = h, r = q.right, t = idx;;) {if (q == null || t == null)break splice;// r != null；这里是找到相应层次的插入节点位置，注意这里只横向找if (r != null) {ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> n = r.node;int c = cpr(cmp, key, n.key);// n.value == null ，解除关系，r右移if (n.value == null) {if (!q.unlink(r))break;r = q.right;continue;}// key > n.key 右移if (c > 0) {q = r;r = r.right;continue;}}// 上面找到节点要插入的位置，这里就插入// 当前层是最顶层if (j == insertionLevel) {// 建立联系if (!q.link(r, t))break; // restartif (t.node.value == null) {findNode(key);break splice;}// 标志的插入层 -- ，如果== 0 ，表示已经到底了，插入完毕，退出循环if (--insertionLevel == 0)break splice;}// 上面节点已经插入完毕了，插入下一个节点if (--j >= insertionLevel && j < level)t = t.down;q = q.down;r = q.right;}}// 从插入的层次level开始splice: for (int insertionLevel = level;;) {int j = h.level;//  从headIndex开始for (ConcurrentSkipListMap.Index<K,V> q = h, r = q.right, t = idx;;) {if (q == null || t == null)break splice;// r != null；这里是找到相应层次的插入节点位置，注意这里只横向找if (r != null) {ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> n = r.node;int c = cpr(cmp, key, n.key);// n.value == null ，解除关系，r右移if (n.value == null) {if (!q.unlink(r))break;r = q.right;continue;}// key > n.key 右移if (c > 0) {q = r;r = r.right;continue;}}// 上面找到节点要插入的位置，这里就插入// 当前层是最顶层if (j == insertionLevel) {// 建立联系if (!q.link(r, t))break; // restartif (t.node.value == null) {findNode(key);break splice;}// 标志的插入层 -- ，如果== 0 ，表示已经到底了，插入完毕，退出循环if (--insertionLevel == 0)break splice;}// 上面节点已经插入完毕了，插入下一个节点if (--j >= insertionLevel && j < level)t = t.down;q = q.down;r = q.right;}}

这段代码分为两部分看，一部分是找到相应层次的该节点插入的位置，第二部分在该位置插入，然后下移。

至此，ConcurrentSkipListMap的put操作到此就结束了。代码量有点儿多，这里总结下：

首先通过findPredecessor()方法找到前辈节点Node
根据返回的前辈节点以及key-value，新建Node节点，同时通过CAS设置next
设置节点Node，再设置索引节点。采取抛硬币方式决定层次，如果所决定的层次大于现存的最大层次，则新增一层，然后新建一个Item链表。
最后，将新建的Item链表插入到SkipList结构中。

get操作

相比于put操作，get操作会简单很多，其过程其实就只相当于put操作的第一步：

  private V doGet(Object key) {if (key == null)throw new NullPointerException();Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) {for (ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {Object v; int c;if (n == null)break outer;ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> f = n.next;if (n != b.next)                // inconsistent readbreak;if ((v = n.value) == null) {    // n is deletedn.helpDelete(b, f);break;}if (b.value == null || v == n)  // b is deletedbreak;if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) == 0) {@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}if (c < 0)break outer;b = n;n = f;}}return null;}private V doGet(Object key) {if (key == null)throw new NullPointerException();Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) {for (ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {Object v; int c;if (n == null)break outer;ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> f = n.next;if (n != b.next)                // inconsistent readbreak;if ((v = n.value) == null) {    // n is deletedn.helpDelete(b, f);break;}if (b.value == null || v == n)  // b is deletedbreak;if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) == 0) {@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}if (c < 0)break outer;b = n;n = f;}}return null;}

与put操作第一步相似，首先调用findPredecessor()方法找到前辈节点，然后顺着right一直往右找即可，同时在这个过程中同样承担了一个删除value为null的节点的职责。

remove操作

remove操作为删除指定key节点，如下：

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

直接调用doRemove()方法，这里remove有两个参数，一个是key，另外一个是value，所以doRemove方法即提供remove key，也提供同时满足key-value。

 final V doRemove(Object key, Object value) {if (key == null)throw new NullPointerException();Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) {for (ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {Object v; int c;if (n == null)break outer;ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> f = n.next;// 不一致读，重新开始if (n != b.next)                    // inconsistent readbreak;// n节点已删除if ((v = n.value) == null) {        // n is deletedn.helpDelete(b, f);break;}// b节点已删除if (b.value == null || v == n)      // b is deletedbreak;if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) < 0)break outer;// 右移if (c > 0) {b = n;n = f;continue;}/** 找到节点*/// value != null 表示需要同时校验key-value值if (value != null && !value.equals(v))break outer;// CAS替换valueif (!n.casValue(v, null))break;if (!n.appendMarker(f) || !b.casNext(n, f))findNode(key);                  // retry via findNodeelse {// 清理节点findPredecessor(key, cmp);      // clean index// head.right == null表示该层已经没有节点，删掉该层if (head.right == null)tryReduceLevel();}@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}}return null;}final V doRemove(Object key, Object value) {if (key == null)throw new NullPointerException();Comparator<? super K> cmp = comparator;outer: for (;;) {for (ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> b = findPredecessor(key, cmp), n = b.next;;) {Object v; int c;if (n == null)break outer;ConcurrentSkipListMap.Node<K,V> f = n.next;// 不一致读，重新开始if (n != b.next)                    // inconsistent readbreak;// n节点已删除if ((v = n.value) == null) {        // n is deletedn.helpDelete(b, f);break;}// b节点已删除if (b.value == null || v == n)      // b is deletedbreak;if ((c = cpr(cmp, key, n.key)) < 0)break outer;// 右移if (c > 0) {b = n;n = f;continue;}/** 找到节点*/// value != null 表示需要同时校验key-value值if (value != null && !value.equals(v))break outer;// CAS替换valueif (!n.casValue(v, null))break;if (!n.appendMarker(f) || !b.casNext(n, f))findNode(key);                  // retry via findNodeelse {// 清理节点findPredecessor(key, cmp);      // clean index// head.right == null表示该层已经没有节点，删掉该层if (head.right == null)tryReduceLevel();}@SuppressWarnings("unchecked") V vv = (V)v;return vv;}}return null;}

调用findPredecessor()方法找到前辈节点，然后通过右移，然后比较，找到后利用CAS把value替换为null，然后判断该节点是不是这层唯一的index，如果是的话，调用tryReduceLevel()方法把这层干掉，完成删除。

其实从这里可以看出，remove方法仅仅是把Node的value设置null，并没有真正删除该节点Node，其实从上面的put操作、get操作我们可以看出，他们在寻找节点的时候都会判断节点的value是否为null，如果为null，则调用unLink()方法取消关联关系，如下：

                    if (n.value == null) {if (!q.unlink(r))break;           // restartr = q.right;         // reread rcontinue;}if (n.value == null) {if (!q.unlink(r))break;           // restartr = q.right;         // reread rcontinue;}

size操作

ConcurrentSkipListMap的size()操作和ConcurrentHashMap不同，它并没有维护一个全局变量来统计元素的个数，所以每次调用该方法的时候都需要去遍历。

    public int size() {long count = 0;for (Node<K,V> n = findFirst(); n != null; n = n.next) {if (n.getValidValue() != null)++count;}return (count >= Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE : (int) count;}public int size() {long count = 0;for (Node<K,V> n = findFirst(); n != null; n = n.next) {if (n.getValidValue() != null)++count;}return (count >= Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE : (int) count;}

调用findFirst()方法找到第一个Node，然后利用node的next去统计。最后返回统计数据，最多能返回Integer.MAX_VALUE。注意这里在线程并发下是安全的。

ConcurrentSkipListMap过程其实不复杂，相比于ConcurrentHashMap而言，是简单的不能再简单了。对跳表SkipList熟悉的话，ConcurrentSkipListMap 应该是盘中餐了。

Java并发编程：并发容器之CopyOnWriteArrayList（转载）

　　原文链接：

　　http://ifeve.com/java-copy-on-write/

　　Copy-On-Write简称COW，是一种用于程序设计中的优化策略。其基本思路是，从一开始大家都在共享同一个内容，当某个人想要修改这个内容的时候，才会真正把内容Copy出去形成一个新的内容然后再改，这是一种延时懒惰策略。从JDK1.5开始Java并发包里提供了两个使用CopyOnWrite机制实现的并发容器,它们是CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。CopyOnWrite容器非常有用，可以在非常多的并发场景中使用到。

什么是CopyOnWrite容器

　　CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

CopyOnWriteArrayList的实现原理

　　在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向CopyOnWriteArrayList中add方法的实现（向CopyOnWriteArrayList里添加元素），可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

/**

* Appends the specified element to the end of this list.

*

* @param e element to be appended to this list

* @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})

*/

public boolean add(E e) {

final ReentrantLock lock = this.lock;

lock.lock();

try {

Object[] elements = getArray();

int len = elements.length;

Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);

newElements[len] = e;

setArray(newElements);

return true;

} finally {

lock.unlock();

}

　　读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。

public E get(int index) {

return get(getArray(), index);

}

　　JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：

import java.util.Collection;

import java.util.Map;

import java.util.Set;

public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {

private volatile Map<K, V> internalMap;

public CopyOnWriteMap() {

internalMap = new HashMap<K, V>();

}

public V put(K key, V value) {

synchronized (this) {

Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);

V val = newMap.put(key, value);

internalMap = newMap;

return val;

}

public V get(Object key) {

return internalMap.get(key);

}

public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {

synchronized (this) {

Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);

newMap.putAll(newData);

internalMap = newMap;

}

　　实现很简单，只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器，并且在不同的应用场景中使用。

CopyOnWrite的应用场景

　　CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：

package com.ifeve.book;

import java.util.Map;

import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;

/**

* 黑名单服务

*

* @author fangtengfei

*

*/

public class BlackListServiceImpl {

private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(

1000);

public static boolean isBlackList(String id) {

return blackListMap.get(id) == null ? false : true;

}

public static void addBlackList(String id) {

blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);

}

/**

* 批量添加黑名单

*

* @param ids

*/

public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {

blackListMap.putAll(ids);

}

　　代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：

　　1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。

　　2. 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点

　　CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

　　内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。

　　针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

　　数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

　　下面这篇文章验证了CopyOnWriteArrayList和同步容器的性能：

　　http://blog.csdn.net/wind5shy/article/details/5396887

　　下面这篇文章简单描述了CopyOnWriteArrayList的使用：

　　http://blog.csdn.net/imzoer/article/details/9751591

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