HashMap简单介绍

ConcurrentHashMap是java.util.concurrent提供的一个并发安全的容器，可以实现高并发场景下读写的并发安全的同时兼顾了性能。它是HashMap的加强版，是并发安全的HashMap。

ConcurrentHashMap是基于HashMap的扩展，所以可以先简单回顾一下HashMap。

HashMap是一个存储键值对（key-value）的容器，往容器中放入元素要指定对应的key，往容器中获取元素前，通过指定key来获取对应的value。

HashMap里面使用一个数组去存放放入进来的键值对，在JDK1.7这个数组的类型是 Entry，而JDK1.8这个数组的类型变为Node。

当一对key-value要放入进来时，会计算当前要放入的数组下标。计算方式是取得key的hashcode，然后对hashcode使用hash函数进行运算，得到一个hash值，然后 hash & (数组长度 - 1) 计算出数组下标。然后把key-value封装为对应的实体类（Entry或Node），放入到数组中对应数组下标的位置上。

如果不同的元素放入数组是出现了hash碰撞，会采用链表的方式解决，在JDK1.8后，当链表长度大于等于8并且数组长度大于等于64，链表会转为红黑树。

HashMap内部记录了扩容阈值，当数组中元素的个数达到扩容阈值后，数组会进行扩容，并把元素重新散列到新数组中取。

HashMap的读取和写入都是简单以计算一个hash值，然后根据hash值计算数组下标，直接定位，所以时间复杂度都是O(1)。

HashMap在并发场景下的问题

HashMap是非删除安全的集合容器，在高并发场景下，会发生更新丢失的问题。比如当某个数组下标index对应的位置是空，此时两个线程同时调用put方法往HashMap中插入元素，而且正好都是插入到这个位置，它们如果同时判断当前位置是空，其中一个线程插入的元素就会被覆盖。

HashMap在并发场景下的替代方案

在ConcurrentHashMap出来以前，要解决并发场景下HashMap线程不安全的问题，可以使用Hashtable替代，Hashtable在所有方法上都加了synchronized关键字。

除了Hashtable以外，我们还可以使用Collections.synchronizedMap(hashMap)方法获得一个线程安全的Map容器。

java.util.Collections#synchronizedMap

    public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m) {return new SynchronizedMap<>(m);}

java.util.Collections.SynchronizedMap#SynchronizedMap(java.util.Map<K,V>)

        SynchronizedMap(Map<K,V> m) {this.m = Objects.requireNonNull(m);mutex = this;}

SynchronizedMap是Collections的内部类，保存了一个mutex作为锁对象，这个锁对象是this，也就是SynchronizedMap对象自己。而this.m保存的就是我们传递给Collections的Map。

java.util.Collections.SynchronizedMap#get

        public V get(Object key) {synchronized (mutex) {return m.get(key);}}

java.util.Collections.SynchronizedMap#put

        public V put(K key, V value) {synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}}

SynchronizedMap的的方法都是先通过synchronized代码块保证并发安全，在操作我们的map之前，先获取mutex对象锁，然后在调我们的map的对应方法，是一种代理模式的实现。

这两种方式都是通过synchronized锁住一整个对象，虽然保证了线程安全，但是效率不高。所以JDK在1.5的版本推出了一个新的线程安全的并发Map集合ConcurrentHashMap。

ConcurrentHashMap如何在线程安全的前提下提升并发度

ConcurrentHashMap由于有1.7之前和1.8两个版本，所以要讨论ConcurrentHashMap如何在线程安全的前提下提升并发度，还要分开两个版本进行讨论。

1.7

JDK1.7的ConcurrentHashMap通过分段锁的机制提升并发度。

ConcurrentHashMap把原来HashMap的数组切分成一段一段，每一个段用一个Segment对象保存。当要往ConcurrentHashMap放入元素时，需要先定位元素在哪一个Segment中，然后定位到对应的Segment后，要获取ReentrantLock锁，加锁成功，才能往Segment里面的数组中插入元素。从ConcurrentHashMap中获取元素则不需要加锁，只需定位到对应的Segment，然后从Segment的数组中获取对应的元素。

ConcurrentHashMap结构：

写操作流程：

读操作流程：

1.8

JDK1.8的ConcurrentHashMap放弃了分段锁的思想，改用了synchronized加CAS实现。

ConcurrentHashMap的结构与HashMap一样，是一个Node数组。每次往Node数组写入数据前，先判断数组是否已经初始化，未初始化要先初始化，初始化要获取CAS自旋锁。数组已初始化，通过hash函数和下标计算定位写入的位置，判断该位置是否为null。如果为null，则通过CAS写入一个新的Node到该位置，如果CAS失败则自旋。如果对应的位置不是null，那么需要对当前位置的第一个Node加synchronized对象锁，加锁成功后才能遍历链表进行修改或新增操作（链表尾部）。由于JDK1.8的HashMap和ConcurrentHashMap都是尾插法，所以一旦一个数组位置中不为null，那么头节点是永远固定的。而从ConcurrentHashMap中读取某个元素时，是不需要加锁的，而且由于没有分段，所以不需要像1.7那样两次定位，所以读操作的流程与HashMap是基本一样的。

ConcurrentHashMap结构：

写操作流程：

JDK1.7的ConcurrentHashMap源码

ConcurrentHashMap内部有一个Segment的数组。

final Segment<K,V>[] segments;

每个Segment内部又有一个HashEntry数组。

transient volatile HashEntry<K,V>[] table;

Segment继承了ReentrantLock锁，可以通过Segment加锁。

static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {...}

ConcurrentHashMap#put：

    public V put(K key, V value) {Segment<K,V> s;if (value == null)throw new NullPointerException();// 通过hash函数计算出hash值int hash = hash(key.hashCode());// 定位Segmentint j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null)s = ensureSegment(j);// 调用Segment的put方法return s.put(key, hash, value, false);}

1. 通过hash函数计算出hash值
2. 定位Segment
3. 调用Segment的put方法

Segment#put：

        final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {// 获取ReentrantLock锁HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :scanAndLockForPut(key, hash, value);V oldValue;try {HashEntry<K,V>[] tab = table;// 定位数组下标int index = (tab.length - 1) & hash;// 数组下标对应的位置的第一个节点HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);for (HashEntry<K,V> e = first;;) {// 遍历链表if (e != null) {K k;// 找到匹配的key，修改value值if ((k = e.key) == key ||(e.hash == hash && key.equals(k))) {oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent) {e.value = value;++modCount;}break;}e = e.next;}else {// 遍历到最后，没有发现匹配的keyif (node != null)// 头插法node.setNext(first);else// 目标位置为null，new一个HashEntrynode = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);int c = count + 1;// 如果元素个数大于扩容阈值，进行扩容if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)rehash(node);else// 插入到数组中setEntryAt(tab, index, node);++modCount;count = c;oldValue = null;break;}}} finally {// 释放锁unlock();}return oldValue;}

1. 获取ReentrantLock锁
2. 定位数组下标 (tab.length - 1) & hash
3. 获取数组下标对应的位置的第一个元素，遍历链表
4. 找到匹配的key，修改value值
5. 遍历到最后，没有发现匹配的key
   • 5.1 目标位置是null，new一个HashEntry
   • 5.2 目标位置不是null，头插法
   • 5.3 如果元素个数大于扩容阈值，进行扩容
6. 释放锁

ConcurrentHashMap#get：

    public V get(Object key) {Segment<K,V> s;HashEntry<K,V>[] tab;// 通过hash函数获取hash值int h = hash(key.hashCode());// 定位Segmentlong u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;// 通过UNSAFE.getObjectVolatile方法取得Segmentif ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&(tab = s.table) != null) {// (tab.length - 1) & h 定位数组位置，遍历链表for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile(tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);e != null; e = e.next) {K k;// 找到匹配key的HashEntry，返回valueif ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))return e.value;}}return null;}

1. 通过一个hash函数，取得一个hash值h
2. 用h进行位运算取得Segment数组中的目标位置u
3. 通过UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)取得目标Segment
4. 通过 (tab.length - 1) & h 计算得到HashEntry数组中的目标位置
5. 遍历链表，找到匹配key的HashEntry，返回value

JDK1.8的ConcurrentHashMap源码

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#put：

    public V put(K key, V value) {return putVal(key, value, false);}

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#putVal：

    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();// 通过hash函数得到hash值int hash = spread(key.hashCode());int binCount = 0;for (Node<K,V>[] tab = table;;) {Node<K,V> f; int n, i, fh;if (tab == null || (n = tab.length) == 0)// 如果数组未初始化，先初始化数组tab = initTable();else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {// 数组目标位置为null，CAS插入if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))break;}// 数组正在扩容，参与数组扩容else if ((fh = f.hash) == MOVED)tab = helpTransfer(tab, f);else {V oldVal = null;// 需要遍历链表，先对链表头节点加synchronized锁synchronized (f) {if (tabAt(tab, i) == f) {if (fh >= 0) {binCount = 1;// 遍历链表for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {K ek;// 如果找到匹配key的Node，修改valueif (e.hash == hash &&((ek = e.key) == key ||(ek != null && key.equals(ek)))) {oldVal = e.val;if (!onlyIfAbsent)e.val = value;break;}Node<K,V> pred = e;// 遍历到链表尾部，插入新节点到尾部if ((e = e.next) == null) {pred.next = new Node<K,V>(hash, key,value, null);break;}}}// 链表头节点是一个树节点，调用红黑树插入元素的方法else if (f instanceof TreeBin) {Node<K,V> p;binCount = 2;if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,value)) != null) {oldVal = p.val;if (!onlyIfAbsent)p.val = value;}}}}if (binCount != 0) {// 如果链表长度大于等于8，数组长度大于等于64，链表转红黑树，数组长度不够64，数组扩容if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)treeifyBin(tab, i);if (oldVal != null)return oldVal;break;}}}// 增加元素计算，并判断是否需要扩容addCount(1L, binCount);return null;}

1. 通过hash函数得到hash值
2. 如果数组未初始化，先初始化数组
3. 数组目标位置为null，尝试CAS插入新节点到目标位置
4. 如果数组正在扩容，参与数组扩容
5. 如果需要遍历链表，先对链表头节点加synchronized锁
6. 遍历链表
   • 6.1 如果找到匹配key的Node，修改value
   • 6.2 遍历到链表尾部，插入新节点到尾部
7. 如果链表长度大于等于8，数组长度大于等于64，链表转红黑树，数组长度不够64，数组扩容
8. 增加元素计算，并判断是否需要扩容

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#initTable

    private final Node<K,V>[] initTable() {Node<K,V>[] tab; int sc;while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {if ((sc = sizeCtl) < 0)Thread.yield();// CAS获取自旋锁else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {try {if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;@SuppressWarnings("unchecked")// 初始化Node数组Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];table = tab = nt;sc = n - (n >>> 2);}} finally {sizeCtl = sc;}break;}}return tab;}

initTable方法进行Node数组的初始化，初始化前先通过CAS获取自旋锁，获取到了才能进行Node数组的初始化。

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#casTabAt：

    static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,Node<K,V> c, Node<K,V> v) {return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);}

casTabAt是当数组中对应位置元素为null时调用的，尝试CAS初始化对应位置的元素，调用的是Unsafe的compareAndSwapObject方法。

java.util.concurrent.ConcurrentHashMap#get

    public V get(Object key) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;// 通过hash函数获取hash值int h = spread(key.hashCode());// tabAt(tab, (n - 1) & h) 计算数组下标if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {// 第一个就是匹配key的Node，直接取value值if ((eh = e.hash) == h) {if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))return e.val;}// 数组在扩容的时候，有可能会进这个分支，如果进了这个分支，代表当前位置的元素已经全被挪到新数组中去了，到新数组中去找else if (eh < 0)return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;// 遍历链表，找到匹配的key，取value值while ((e = e.next) != null) {if (e.hash == h &&((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))return e.val;}}return null;}

1. 通过hash函数获取hash值
2. tabAt(tab, (n - 1) & h) 计算数组下标
3. 如果第一个就是匹配key的Node，直接取value值
4. 遍历链表，找到匹配的key，取value值