ConcurrentHashMap详解
JDK1.7版本的CurrentHashMap的实现原理
在JDK1.7中ConcurrentHashMap采用了数组+Segment+分段锁的方式实现。
1.Segment(分段锁)
ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表,同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock）。
2.内部结构
ConcurrentHashMap使用分段锁技术，将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问，能够实现真正的并发访问。如下图是ConcurrentHashMap的内部结构图：
从上面的结构我们可以了解到，ConcurrentHashMap定位一个元素的过程需要进行两次Hash操作。
第一次Hash定位到Segment，第二次Hash定位到元素所在的链表的头部。
3.该结构的优劣势
坏处
这一种结构的带来的副作用是Hash的过程要比普通的HashMap要长
好处
写操作的时候可以只对元素所在的Segment进行加锁即可，不会影响到其他的Segment，这样，在最理想的情况下，ConcurrentHashMap可以最高同时支持Segment数量大小的写操作（刚好这些写操作都非常平均地分布在所有的Segment上）。
所以，通过这一种结构，ConcurrentHashMap的并发能力可以大大的提高。
JDK1.8中的实现
ConcurrentHashMap取消了segment分段锁，而采用CAS和synchronized来保证并发安全。数据结构跟HashMap1.8的结构一样，数组+链表/红黑二叉树。 synchronized只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要hash不冲突，就不会产生并发，效率又提升N倍。
JDK1.8的ConcurrentHashMap的结构图如下：
ConcurrentHashMap 源码分析
ConcurrentHashMap 类结构参照HashMap，这里列出HashMap没有的几个属性。
/**
hash表初始化或扩容时的一个控制位标识量。
负数代表正在进行初始化或扩容操作
-1代表正在初始化
-N 表示有N-1个线程正在进行扩容操作
正数或0代表hash表还没有被初始化，这个数值表示初始化或下一次进行扩容的大小 */
private transient volatile int sizeCtl;
// 以下两个是用来控制扩容的时候 单线程进入的变量
private static int RESIZE_STAMP_BITS = 16;
private static final int RESIZE_STAMP_SHIFT = 32 - RESIZE_STAMP_BITS;
static final int MOVED = -1; // hash值是-1，表示这是一个forwardNode节点
static final int TREEBIN = -2; // hash值是-2 表示这时一个TreeBin节点
分析代码主要目的：分析是如果利用CAS和Synchronized进行高效的同步更新数据。
下面插入数据源码：
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
//ConcurrentHashMap 不允许插入null键，HashMap允许插入一个null键
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
//计算key的hash值
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
//for循环的作用：因为更新元素是使用CAS机制更新，需要不断的失败重试，直到成功为止。
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
// f：链表或红黑二叉树头结点，向链表中添加元素时，需要synchronized获取f的锁。
Node<K,V> f; int n, i, fh;
//判断Node[]数组是否初始化，没有则进行初始化操作
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
//通过hash定位Node[]数组的索引坐标，是否有Node节点，如果没有则使用CAS进行添加（链表的头结点），添加失败则进入下次循环。
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
//检查到内部正在移动元素（Node[] 数组扩容）
else if ((fh = f.hash) == MOVED)
//帮助它扩容
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
//锁住链表或红黑二叉树的头结点
synchronized (f) {
//判断f是否是链表的头结点
if (tabAt(tab, i) == f) {
//如果fh>=0 是链表节点
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
//遍历链表所有节点
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//如果节点存在，则更新value
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
//不存在则在链表尾部添加新节点。
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
//TreeBin是红黑二叉树节点
else if (f instanceof TreeBin) {
Node<K,V> p;
binCount = 2;
//添加树节点
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
if (binCount != 0) {
//如果链表长度已经达到临界值8 就需要把链表转换为树结构
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
//将当前ConcurrentHashMap的size数量+1
addCount(1L, binCount);
return null;
}
- 判断Node[]数组是否初始化，没有则进行初始化操作
- 通过hash定位Node[]数组的索引坐标，是否有Node节点，如果没有则使用CAS进行添加（链表的头结点），添加失败则进入下次循环。
- 检查到内部正在扩容，如果正在扩容，就帮助它一块扩容。
- 如果f!=null，则使用synchronized锁住f元素（链表/红黑二叉树的头元素）
4.1 如果是Node(链表结构)则执行链表的添加操作。
4.2 如果是TreeNode(树型结果)则执行树添加操作。 - 判断链表长度已经达到临界值8 就需要把链表转换为树结构。
总结：
JDK8中的实现也是锁分离的思想，它把锁分的比segment（JDK1.5）更细一些，只要hash不冲突，就不会出现并发获得锁的情况。它首先使用无锁操作CAS插入头结点，如果插入失败，说明已经有别的线程插入头结点了，再次循环进行操作。如果头结点已经存在，则通过synchronized获得头结点锁，进行后续的操作。性能比segment分段锁又再次提升。
