ConcurrentHashMap源码详解
ConcurrentHashMap是Java5中支持高并发、高吞吐量的线程安全HashMap实现。ConcurrentHashMap继承AbstractMap类，实现了ConcurrentMap,Serializable接口。
一、为什么多线程高并发场景要用ConcurrentHashMap
1）为什么不用HashMap：容易形成死循环。HashMap是非线程安全的，在多线程时，多个线程同时put添加的时候，触发了扩容resize()，可能线程1扩容后元素A是指向元素B，然后线程2扩容后元素B指向了元素A，然后就形成了闭合的链表结构，然后再get去获取就会陷入死循环中，cpu一下子就可能达到接近100%。
2）为什么不用Hashtable：Hashtable使用了synchronized实现了线程安全，但是给每个方法都加上了synchronized关键字，也就是说Hashtable锁住了整个table。线程1在put添加时，其他线程都进入了阻塞状态，线程2就不能进行put添加，甚至不能get获取。在多线程高并发场景下，线程之间的竞争资源非常激烈，这样效率就非常低，而且线程越多，竞争越大，效率就越低。
3）为什么要用ConcurrentHashMap：ConcurrentHashMap使用了锁分段技术。Hashtable使用了一把锁锁住了所有的数据，在ConcurrentHashMap内使用了多把锁，每把锁锁住一部分数据，这样线程1在对一段数据执行put添加的时候，并不会影响到其他段的数据，其他线程可以对其他段的数据进行操作，但是如果有其他线程需要对线程1正在操作的这段数据操作，就仍会被阻塞。相对于Hashtable而言，有多少段数据，效率就是Hashtable的多少倍。
二、jdk1.8前后的区别
①、jdk1.8之前：由Segment数组结构，HashEntry数组结构和链表组成，Segment是可重入锁（ReentrantLock），每个Segment的结构采用数组加链表存储结构。ConcurrentHashMap使用了锁分段技术，每一段数据就是一个Segment，每一个Segment加一把锁，默认Segment数是16，也就是效率是Hashtable的16倍。
通过三次hash来决定放在哪里，第一次将key.hashcode()得到hash1，第二次将hash1的高位hash得到存放在哪个Segment，第三次将hash1来hash得到存放在哪个HashEntry。
②jdk1.8之后：取消了Segment结构，采用了CAS和synchronized来保证线程安全，底层结构与HashMap在jdk1.8的结构一致——数组、链表、红黑树，ConcurrentHashMap锁的是hash桶了。与jdk1.7相比，结构不同，锁的粒度也不同。
（CAS技术：比较交换技术，核心算法CompareAndSwap，它一种无锁策略，就是假设对所有的资源访问都是没有冲突的，因此所有线程可以不用阻塞，持续进行，如果一旦监测到了冲突，它就会不断的重试，直到没有冲突为止！优点：①没有锁竞争带来的cpu开销，②不会产生死锁）
三、源码分析
源码分析主要从核心方法来分析，建议先去看看HashMap源码，有很多相同相似之处
//在了解put，get等方法前，先了解一下关于table数组的几个重要方法
//以volatile读的方式读取table数组中的元素
static final Node tabAt(Node[] tab, int i) {
return (Node)U.getObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
//以volatile写的方式，将元素插入table数组
static final void setTabAt(Node[] tab, int i, Node v) {
U.putObjectVolatile(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, v);
}
//以CAS的方式，将元素插入table数组
static final boolean casTabAt(Node[] tab, int i,
Node c, Node v) {
//原子的执行如下逻辑：如果tab[i]==c,则设置tab[i]=v，并返回ture.否则返回false
return U.compareAndSwapObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
} （一）、put(K key,V value)添加方法
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
} /** 实现put 和 putIfAbsent 方法 从这里可以得到putIfAbsent()底层就是调用了putVal() */
// 参数 onlyIfAbsent 引用HashMap中的解释：若为true则修改值
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); // 不允许空键值存在，为空报空指针异常
int hash = spread(key.hashCode()); // 获取hash值
int binCount = 0; // 链表长度，如果为树就为2
for (Node[] tab = table;;) { // for循环作用：使用了CAS技术，需要不断失败重试直到成功
Node f; // 引用 f 用于锁定table内链表或红黑树的头节点
int n, i, fh;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0) // table数组是否初始化，为null或容量为0即未初始化
tab = initTable(); // 调用initTable()初始化table数组 ； 第一次执行put操作时的第一次for循环到这里结束
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { //根据tab容量和hash值取到索引下标，判断table该索引位置是否有值
if (casTabAt(tab, i, null, // tab数组该索引位置没有值，使用CAS添加，成功返回true，break循环；失败继续for循环直到成功 第一次put操作时，到这里直到成功就添加成功
new Node(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin 当容器为空时，没有锁
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED) // tab[i]!=null时，监测内部是否在数组扩容
tab = helpTransfer(tab, f); //在扩容时，帮助它扩容
else { // tab[i]!=null且未扩容，就给头结点加锁
V oldVal = null;
synchronized (f) { // 锁定链表或红黑树的头节点
if (tabAt(tab, i) == f) { // 判断f是不是tab[i]的头节点
if (fh >= 0) { // 头节点的hash值大于等于0就是链表
binCount = 1; // 已知的链表长度暂时为1
for (Node e = f;; ++binCount) { //遍历链表所有节点，每循环一次，链表长度binCount+1
K ek;
if (e.hash == hash && // 节点已存在就新值覆盖旧值，putVal方法的第三个参数onlyIfAbsent=false作用就来了
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node pred = e;
if ((e = e.next) == null) { // 节点不存在，就在链表尾部next添加节点
pred.next = new Node(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) { // 如果不为链表，再判断是不是树结构
Node p;
binCount = 2; // 为红黑树就不需要再转红黑树
if ((p = ((TreeBin)f).putTreeVal(hash, key, //如果红黑树内节点已存在，返回已存在的节点，然后新值覆盖旧值；如果不存在，直接添加到红黑树内
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
if (binCount != 0) { // 链表长度不为0，tab[i]不为空
// 当binCount >= TREEIFY_THRESHOLD=8时，链表转为红黑树。
//要注意的是，其实这里链表长度实际为9，这里需要自己跟着上面链表的循环画图走一遍才能看出来
//也就是这里的8指的是本次put添加之前的链表长度。。。。
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount); // 新添加一次，size就加1，可能会触发扩容
return null;
} //获取hash值的方法
static final int spread(int h) {
//通过一次无符号右移，一次异或运算，一次位与运算取到hash值； 得到的hash值位与上0x7FFFFFFF是避免为负数
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS; // ( key.hashcode() ^ (key.hashcode()>>>16) ) & 0x7FFFFFFF
}对put方法流程做一个简述：
1）put方法底层调用了putVal方法，传入了key，value，onlyIfAbsent=fasle三个参数
2）对键值判空，为空报空指针异常
3）调用spread方法通过三次扰动计算key的hash值
4）判断数组table有没有被初始化，没有被初始化就调用initTable初始化table
5）根据hash值和table数组容量得到索引，如果数组该索引位置为空，使用CAS添加节点，失败就重试，直到成功
6）监测数组是否在扩容，如果在就帮助它扩容
7）如果table数组该索引位置不为空且没有扩容，就给头节点加synchornized锁
8）对链表或者红黑树遍历，如果已存在，新值覆盖旧值；不存在，为链表就在尾部添加节点，为红黑树根据自平衡添加树节点
9）监测binCount达到链表转红黑树的阈值，达到就链表转红黑树，此时链表长度实际为9（链表转红黑树方法内实际做了一次判断，如果table数组容量小于最低值64，会对数组扩容，这里与HashMap一样）
10）统计table数组元素个数的size变量+1
总结一下，put方法是如何通过CAS保证线程安全的：使用CAS会有一个预期值，如果取到的值与预期值一致，就会将值更新添加。当多个线程同时执行put操作，线程1获取到tab[i]=null，与预期值一致，就执行casTabAt(tab,i,null,添加的节点)添加节点进去；这时线程2执行casTabAt(tab,i,null,添加的节点)的时候，获取到tab[i]!=null，就会下一次循环，再来判断添加，直到成功。
（二）initTable()初始化数组方法
条件：sizeCtl=0 ，table数组为空或长度为0
/**
* Initializes table, using the size recorded in sizeCtl. 使用sizeCtl来记录初始化table
*/
private final Node[] initTable() {
Node[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) { // 使用CAS技术初始化table数组，失败会不断重试，直到初始化成功
if ((sc = sizeCtl) < 0) // sizeCtl默认为0
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin 释放自己的时间片，重新与其他线程竞争资源
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { //使用CAS将sizeCtl修改为-1，执行CAS成功返回true
try {
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) { // 监测table有没有初始化
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY; // 上面sc=sizeCtl=0 —>n=16
@SuppressWarnings("unchecked")
Node[] nt = (Node[])new Node[n];
table = tab = nt; // 初始化数组结束，table容量为16
sc = n - (n >>> 2); // sc = 16-4=12
}
} finally {
sizeCtl = sc; // sizeCtl=12，用于下次扩容
}
break;
}
}
return tab;
} /** 相关属性
* hash表初始化或扩容时的一个控制位标识量。
* sizeCtl=0 数组未初始化
* sizeCtl=-1 正在初始化数组
*/
private transient volatile int sizeCtl; // 默认为0
//默认的初始化table容量
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;初始化table数组要注意一个问题，在多线程模式下，每个线程都在进行put操作，要怎么保证只初始化table数组一次？
解决：sizeCtl默认为0，当有线程在初始化table数组，并且执行CAS初始化成功时，会将sizeCtl使用compareAndSwapInt()修改为-1，这时其他线程获取到sizeCtl<0，会执行Thread.yield()释放自己的时间片，从而达到只初始化table数组一次的目的。
（三）、get(K key)根据key获取value方法
/**
* 返回指定键映射到的值，
*/
public V get(Object key) {
Node[] tab;
Node e, p;
int n, eh; K ek;
int h = spread(key.hashCode()); // 取key的hash值
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 && // 数组必须初始化过且不为空
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) { //定位数组且不为空
//数组该索引位置的头节点的hash和key一致，切不为null，返回它的值
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0) // ForwardingNode节点、红黑树等
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) { // 遍历链表
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
} 流程简述：1）定位到数组该索引位置，获取到头节点e
2）判断头节点e是否为需要找的节点
3）是，直接返回值；否，遍历链表或树找到节点并返回值，未找到返回null
（四）、treeifyBin(Node[] tab, int index)链表转红黑树方法
条件：当前put添加节点之前链表结构中元素数超过了阈值TREEIFY_THRESHOLD（默认为8），在当前节点添加后执行该方法，此时链表实际长度为9
/**
* 在这里链表转成红黑树，会替代掉所有相关节点
* 除非table容量太小（小于64），会在这里进行扩容
*/
private final void treeifyBin(Node[] tab, int index) { // 参数数组tab和索引 i
Node b; // 用于锁住头节点
int n, sc;
if (tab != null) {
if ((n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) // 数组容量小于最小值64，就会进行扩容为原来的两倍，来缓解单个链表长度过大的问题
tryPresize(n << 1);
else if ((b = tabAt(tab, index)) != null && b.hash >= 0) { // 数组容量大于64，就将链表转为树结构，然后调用setTabAt方法转为红黑树 b.hash >= 0 即为普通的链表节点
synchronized (b) { // 锁住头节点
if (tabAt(tab, index) == b) { // 确定锁住的是头节点
TreeNode hd = null, tl = null;
for (Node e = b; e != null; e = e.next) { // 遍历链表，将原本的Node链表转成TreeNode链表
TreeNode p =
new TreeNode(e.hash, e.key, e.val,
null, null);
if ((p.prev = tl) == null)
hd = p;
else
tl.next = p;
tl = p;
}
setTabAt(tab, index, new TreeBin(hd)); // 将TreeNode链表转成红黑树
}
}
}
}
} 从源码可以看出，红黑树的构造过程是在TreeBin的构造方法中完成的。
在TreeBin的构造方法中怎么转成红黑树的更详细分析看这里：https://www.cnblogs.com/Joy-Hu/p/10876508.html
/** 相关内部类
* Nodes for use in TreeBins TreeNode是一个内部类，继承了Node类，下面显示暂时只需 要知道代码
*/
static final class TreeNode extends Node {
TreeNode parent; // red-black tree links
TreeNode left;
TreeNode right;
TreeNode prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
TreeNode(int hash, K key, V val, Node next,
TreeNode parent) {
super(hash, key, val, next);
this.parent = parent;
}
... ....
}
/**
* 可以对容器进行treeified处理的最小表容量。
* (如果一个容器中有太多节点，就会重新调整表的大小。)
* 该值应至少为4 * TREEIFY_THRESHOLD 4*8 以避免
* 调整大小和treeification阈值之间的冲突。
*/
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; （五）扩容机制
协助扩容：在讲扩容机制之前，先讲一个优化的方法。因为在ConcurrentHashMap中最耗时的操作就是 扩容 了，所以对扩容进行优化能很大程度上提升性能。在jdk1.8之前，ConcurrentHashMap在进行put操作遇见扩容时，会阻塞等待，直到扩容完成后，才能继续执行。在jdk1.8之后，ConcurrentHashMap在进行put操作遇见扩容时（监测tab数组该索引位置的头节点的hash=-1时即遇见扩容），会调用helpTransfer()方法帮助它扩容，从而实现优化效果。
扩容场景： 1）数组未被初始化，第一次调用put()时，调用initTable()初始化数组实现扩容
2）链表转红黑树的时候，数组容量小于最小值MIN_TREEIFY_CAPACITY =64时，调用tryPresize()扩容
3）put()添加完成后会调用addCount()记录元素个数，addCount()会监测数组元素个数在达到阈值时，触发transfer()方法扩容
transferIndex：扩容索引，表示已经分配给扩容线程的table数组索引位置。主要用来协调多个线程，并发安全地
获取迁移任务（hash桶）。
/**
* 将每个bin中的节点移动或者复制到新表中
*/
private final void transfer(Node[] tab, Node[] nextTab) {
int n = tab.length, stride;
if ((stride = (NCPU > 1) ? (n >>> 3) / NCPU : n) < MIN_TRANSFER_STRIDE)
stride = MIN_TRANSFER_STRIDE; // subdivide range 细分范围 // 每次至少迁移16个hash桶
if (nextTab == null) { // initiating 启动 // 根据当前数组容量，新建一个当前两倍容量的数组nextTable
try {
@SuppressWarnings("unchecked")
Node[] nt = (Node[])new Node[n << 1];
nextTab = nt;
} catch (Throwable ex) { // try to cope with OOME
sizeCtl = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
nextTable = nextTab;
transferIndex = n;
}
int nextn = nextTab.length; // 去当前数组的容量
//标记当前节点已经迁移完成，它的hash值是MOVED=-1
ForwardingNode fwd = new ForwardingNode(nextTab); // 初始化ForwardingNode节点，ForwardingNode保存了nextTable数组的引用
boolean advance = true;
boolean finishing = false; // to ensure sweep before committing nextTab 确保在提交nextTab之前进行清理
//1、逆序遍历迁移已经获取到的hash桶集合，如果迁移完毕，则更新transferIndex，获取下一批待迁移的hash桶
//2、如果transferIndex=0，表示所以hash桶均被分配，将i置为-1，准备退出transfer方法
for (int i = 0, bound = 0;;) { // 移动处理数组中每个索引位置的链表元素，默认advance = true;
Node f; int fh;
while (advance) {
int nextIndex, nextBound;
if (--i >= bound || finishing)
advance = false;
else if ((nextIndex = transferIndex) <= 0) {
i = -1;
advance = false;
}
else if (U.compareAndSwapInt // 使用for循环和CAS算法设置transferIndex =transferIndex -stride ，保证了扩容的并发安全
(this, TRANSFERINDEX, nextIndex,
nextBound = (nextIndex > stride ?
nextIndex - stride : 0))) {
bound = nextBound;
i = nextIndex - 1; // 这里 i 表示当前处理的数组索引下标
advance = false;
}
}
if (i < 0 || i >= n || i + n >= nextn) {
int sc;
if (finishing) {
nextTable = null;
table = nextTab;
sizeCtl = (n << 1) - (n >>> 1);
return;
}
/**
* 第一个扩容的线程，执行transfer方法之前，会设置 sizeCtl = (resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2)
*后续帮其扩容的线程，执行transfer方法之前，会设置 sizeCtl = sizeCtl+1
*每一个退出transfer的方法的线程，退出之前，会设置 sizeCtl = sizeCtl-1
*那么最后一个线程退出时：
* 必然有sc == (resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2)，即 (sc - 2) == resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT
*/
//不相等，说明不到最后一个线程，直接退出transfer方法
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc = sizeCtl, sc - 1)) {
if ((sc - 2) != resizeStamp(n) << RESIZE_STAMP_SHIFT)
return;
finishing = advance = true;
i = n; // recheck before commit
}
}
else if ((f = tabAt(tab, i)) == null) // 如果该索引位置没有节点，通过CAS插入ForwardingNode节点，表示迁移处理过
advance = casTabAt(tab, i, null, fwd);
else if ((fh = f.hash) == MOVED) // 已迁移完成的节点，hash为MOVED=-1
advance = true; // already processed 已结处理过的
else { // 开始迁移
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
Node ln, hn;
if (fh >= 0) { // 迁移链表，将node链表分成两个新的链表
int runBit = fh & n;
Node lastRun = f;
for (Node p = f.next; p != null; p = p.next) { // 遍历这个桶
int b = p.hash & n; // 取到桶中每个元素的hash值
if (b != runBit) {
runBit = b;
lastRun = p;
}
}
if (runBit == 0) {
ln = lastRun;
hn = null;
}
else {
hn = lastRun;
ln = null;
}
for (Node p = f; p != lastRun; p = p.next) {
int ph = p.hash; K pk = p.key; V pv = p.val;
if ((ph & n) == 0)
ln = new Node(ph, pk, pv, ln);
else
hn = new Node(ph, pk, pv, hn);
}
setTabAt(nextTab, i, ln); // 将链表放进新数组中
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
else if (f instanceof TreeBin) { // 迁移红黑树
TreeBin t = (TreeBin)f;
TreeNode lo = null, loTail = null;
TreeNode hi = null, hiTail = null;
int lc = 0, hc = 0;
for (Node e = t.first; e != null; e = e.next) {
int h = e.hash;
TreeNode p = new TreeNode
(h, e.key, e.val, null, null);
if ((h & n) == 0) {
if ((p.prev = loTail) == null)
lo = p;
else
loTail.next = p;
loTail = p;
++lc;
}
else {
if ((p.prev = hiTail) == null)
hi = p;
else
hiTail.next = p;
hiTail = p;
++hc;
}
}
ln = (lc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(lo) :
(hc != 0) ? new TreeBin(lo) : t;
hn = (hc <= UNTREEIFY_THRESHOLD) ? untreeify(hi) :
(lc != 0) ? new TreeBin(hi) : t;
setTabAt(nextTab, i, ln);
setTabAt(nextTab, i + n, hn);
setTabAt(tab, i, fwd);
advance = true;
}
}
}
}
}
} /**
* hash表初始化或扩容时的一个控制位标识量。
* sizeCtl=0 数组未初始化
* sizeCtl=-1 正在初始化数组
* sizeCtl>0 初始化的容量
* sizeCtl=0.75*数组的容量 扩容的阈值 （正常状态）
*sizeCtl<0 正在扩容
*/
private transient volatile int sizeCtl; // 默认为0
/**可用处理器的jvm数量 */
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
/** 扩容的线程每次至少要迁移16个hash桶*/
private static final int MIN_TRANSFER_STRIDE = 16;总结一下，每次扩容table数组容量为之前的两倍，sizeCtl阈值大小为之前的两倍