java ConcurrentHashMap 实现原理

由于 HashMap 是一个线程不安全的容器，主要体现在容量大于总量*负载因子发生扩容时会出现环形链表从而导致死循环。

因此需要支持线程安全的并发容器 ConcurrentHashMap 。

JDK1.7 实现

数据结构

如图所示，是由 Segment 数组、HashEntry 数组组成，和 HashMap 一样，仍然是数组加链表组成。

ConcurrentHashMap 采用了分段锁技术，其中 Segment 继承于 ReentrantLock。不会像 HashTable 那样不管是 put 还是 get 操作都需要做同步处理，理论上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 数组数量)的线程并发。每当一个线程占用锁访问一个 Segment 时，不会影响到其他的 Segment。

get 方法

ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的，因为整个过程都不需要加锁。

只需要将 Key 通过 Hash 之后定位到具体的 Segment ，再通过一次 Hash 定位到具体的元素上。由于 HashEntry 中的 value 属性是用 volatile 关键词修饰的，保证了内存可见性，所以每次获取时都是最新值(volatile 相关知识点)。

put 方法

内部 HashEntry 类 ：

    static final class HashEntry {
        final int hash;
        final K key;
        volatile V value;
        volatile HashEntry next;

        HashEntry(int hash, K key, V value, HashEntry next) {
            this.hash = hash;
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }

虽然 HashEntry 中的 value 是用 volatile 关键词修饰的，但是并不能保证并发的原子性，所以 put 操作时仍然需要加锁处理。

首先也是通过 Key 的 Hash 定位到具体的 Segment，在 put 之前会进行一次扩容校验。这里比 HashMap 要好的一点是：HashMap 是插入元素之后再看是否需要扩容，有可能扩容之后后续就没有插入就浪费了本次扩容(扩容非常消耗性能)。

而 ConcurrentHashMap 不一样，它是在将数据插入之前检查是否需要扩容，之后再做插入操作。

size 方法

每个 Segment 都有一个 volatile 修饰的全局变量 count ,求整个 ConcurrentHashMap 的 size 时很明显就是将所有的 count 累加即可。但是 volatile 修饰的变量却不能保证多线程的原子性，所有直接累加很容易出现并发问题。

但如果每次调用 size 方法将其余的修改操作加锁效率也很低。所以做法是先尝试两次将 count 累加，如果容器的 count 发生了变化再加锁来统计 size。

至于 ConcurrentHashMap 是如何知道在统计时大小发生了变化呢，每个 Segment 都有一个 modCount 变量，每当进行一次 put remove 等操作，modCount 将会 +1。只要 modCount 发生了变化就认为容器的大小也在发生变化。

JDK1.8 实现

1.8 中的 ConcurrentHashMap 数据结构和实现与 1.7 还是有着明显的差异。

其中抛弃了原有的 Segment 分段锁，而采用了 CAS + synchronized 来保证并发安全性。

也将 1.7 中存放数据的 HashEntry 改为 Node，但作用都是相同的。

其中的 val next 都用了 volatile 修饰，保证了可见性。

put 方法

重点来看看 put 函数：

• 根据 key 计算出 hashcode 。
• 判断是否需要进行初始化。
• f 即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。
• 如果当前位置的 hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。
• 如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。
• 如果数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树。

get 方法

• 根据计算出来的 hashcode 寻址，如果就在桶上那么直接返回值。
• 如果是红黑树那就按照树的方式获取值。
• 都不满足那就按照链表的方式遍历获取值。

总结

1.8 在 1.7 的数据结构上做了大的改动，采用红黑树之后可以保证查询效率（O(logn)），甚至取消了 ReentrantLock 改为了 synchronized，这样可以看出在新版的 JDK 中对 synchronized 优化是很到位的。