数据结构——ConcurrentHashMap

上一篇我们提到HashMap是线程不安，而hashTable虽然是线程安全，但是性能很差。java提供了ConcurrentHashMap来替代hashTable。
我们先来看一下JDK1.7的currentMap的结构：

在ConcurrentHashMap中有个重要的概念就是Segment。我们知道HashMap的结构是数组+链表形式，从图中我们可以看出其实每个segment就类似于一个HashMap。Segment包含一个HashEntry数组，数组中的每一个HashEntry既是一个键值对，也是一个链表的头节点。在ConcurrentHashMap中有2的N次方个Segment，共同保存在一个名为segments的数组当中。可以说，ConcurrentHashMap是一个二级哈希表。在一个总的哈希表下面，有若干个子哈希表。
为什么说ConcurrentHashMap的性能要比HashTable好，HashTables是用全局同步锁，而CconurrentHashMap采用的是锁分段，每一个Segment就好比一个自治区，读写操作高度自治，Segment之间互不干扰。
先来看看几个并发的场景：
Case1:不同Segment的并发写入

不同Segment的写入是可以并发执行的。
Case2:同一Segment的一写一读

同一Segment的写和读是可以并发执行的。
Case3:同一Segment的并发写入

Segment的写入是需要上锁的，因此对同一Segment的并发写入会被阻塞。
由此可见，ConcurrentHashMap当中每个Segment各自持有一把锁。在保证线程安全的同时降低了锁的粒度，让并发操作效率更高。
上面我们说过，每个Segment就好比一个HashMap，其实里面的操作原理都差不多，只是Segment里面加了锁。

Get方法：

1.为输入的Key做Hash运算，得到hash值。

2.通过hash值，定位到对应的Segment对象

3.再次通过hash值，定位到Segment当中数组的具体位置。

public V get(Object key) {
        Segment s; // manually integrate access methods to reduce overhead
        HashEntry[] tab;
        int h = hash(key);
        long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
        if ((s = (Segment)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
            (tab = s.table) != null) {
            for (HashEntry e = (HashEntry) UNSAFE.getObjectVolatile
                     (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
                 e != null; e = e.next) {
                K k;
                if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
                    return e.value;
            }
        }
        return null;
    }

Put方法：

1.为输入的Key做Hash运算，得到hash值。

2.通过hash值，定位到对应的Segment对象

3.获取可重入锁

4.再次通过hash值，定位到Segment当中数组的具体位置。

5.插入或覆盖HashEntry对象。

6.释放锁。

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
            HashEntry node = tryLock() ? null :
                scanAndLockForPut(key, hash, value);
            V oldValue;
            try {
                HashEntry[] tab = table;
                int index = (tab.length - 1) & hash;
                HashEntry first = entryAt(tab, index);
                for (HashEntry e = first;;) {
                    if (e != null) {
                        K k;
                        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 {
                        if (node != null)
                            node.setNext(first);
                        else
                            node = new HashEntry(hash, key, value, first);
                        int c = count + 1;
                        if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                            rehash(node);
                        else
                            setEntryAt(tab, index, node);
                        ++modCount;
                        count = c;
                        oldValue = null;
                        break;
                    }
                }
            } finally {
                unlock();
            }
            return oldValue;
        }

可以看出get方法并没有加锁，那怎么保证读取的正确性呢，这是应为value变量用了volatile来修饰，后面再详细讲解volatile。

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;
        }
        .....

size方法
既然每一个Segment都各自加锁，那么我们在统计size()的时候怎么保证解决一直性的问题，比如我们在计算size时，有其他线程在添加或删除元素。

/**
     * Returns the number of key-value mappings in this map.  If the
     * map contains more than Integer.MAX_VALUE elements, returns
     * Integer.MAX_VALUE.
     *
     * @return the number of key-value mappings in this map
     */
    public int size() {
        // Try a few times to get accurate count. On failure due to
        // continuous async changes in table, resort to locking.
        final Segment[] segments = this.segments;
        int size;
        boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
        long sum;         // sum of modCounts
        long last = 0L;   // previous sum
        int retries = -1; // first iteration isn't retry
        try {
            for (;;) {
                if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
                    for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                        ensureSegment(j).lock(); // force creation
                }
                sum = 0L;
                size = 0;
                overflow = false;
                for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
                    Segment seg = segmentAt(segments, j);
                    if (seg != null) {
                        sum += seg.modCount;
                        int c = seg.count;
                        if (c < 0 || (size += c) < 0)
                            overflow = true;
                    }
                }
                if (sum == last)
                    break;
                last = sum;
            }
        } finally {
            if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
                for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                    segmentAt(segments, j).unlock();
            }
        }
        return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
    }

ConcurrentHashMap的Size方法是一个嵌套循环，大体逻辑如下：

1.遍历所有的Segment。

2.把Segment的元素数量累加起来。

3.把Segment的修改次数累加起来。

4.判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。如果大于，说明统计过程中有修改，重新统计，尝试次数+1；如果不是。说明没有修改，统计结束。

5.如果尝试次数超过阈值，则对每一个Segment加锁，再重新统计。

6.再次判断所有Segment的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。由于已经加锁，次数一定和上次相等。

7.释放锁，统计结束。

可以看出JDK1.7的size计算方式有点像乐观锁和悲观锁的方式，为了尽量不锁住所有Segment，首先乐观地假设Size过程中不会有修改。当尝试一定次数，才无奈转为悲观锁，锁住所有Segment保证强一致性。

JDK1.7和JDK1.8中ConcurrentHashMap的区别
1、在JDK1.8中ConcurrentHashMap的实现方式有了很大的改变，在JDK1.7中采用的是Segment + HashEntry，而Sement继承了ReentrantLock，所以自带锁功能，而在JDK1.8中则取消了Segment，作者认为Segment太过臃肿，采用Node + CAS + Synchronized（ps:Synchronized一直以来被各种吐槽性能差，但java一直没有放弃Synchronized，也一直在改进，既然作者在这里采用了Synchronized，可见Synchronized的性能应该是有所提升的，当然只是猜想哈哈哈。。。）

2、在上篇HashMap中我们知道，在JDK1.8中当HashMap的链表个数超过8时，会转换为红黑树，在ConcurrentHashMap中也不例外。这也是新能的一个小小提升。

3、在JDK1.8版本中，对于size的计算，在扩容和addCount()时已经在处理了。JDK1.7是在调用时才去计算。
为了帮助统计size，ConcurrentHashMap提供了baseCount和counterCells两个辅助变量和CounterCell辅助类，1.8中使用一个volatile类型的变量baseCount记录元素的个数，当插入新数据或则删除数据时，会通过addCount()方法更新baseCount。

//ConcurrentHashMap中元素个数,但返回的不一定是当前Map的真实元素个数。基于CAS无锁更新
private transient volatile long baseCount;

private transient volatile CounterCell[] counterCells;  // 部分元素变化的个数保存在此数组中

/**
     * {@inheritDoc}
     */
    public int size() {
        long n = sumCount();
        return ((n < 0L) ? 0 :
                (n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
                (int)n);
    }

final long sumCount() {
        CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
        long sum = baseCount;
        if (as != null) {
            for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
                if ((a = as[i]) != null)
                    sum += a.value;
            }
        }
        return sum;
    }

参考：https://www.jianshu.com/p/e694f1e868ec
https://www.cnblogs.com/butterfly100/p/8019491.html
《程序员小灰公众号》