搞定HashMap线程不安全问题-----ConcurrentHashMap源码解析
前言
HashMap是线程不安全的集合，如果要保证线程安全该怎么做呢？
首先，HashMap为什么会线程不安全？
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jdk1.7中，在多线程环境下，(头插法)扩容时会造成环形链或数据丢失。
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jdk1.8中，在多线程环境下，PUT方法会发生数据覆盖的情况。
如何保证线程安全？
//替代HashMap的方式
public static void main(String[] args) {
/**方式0**/
HashMap<Object,Object> map = new HashMap<>();
/**方式1**/
Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
/**方式2**/
Hashtable hashtable = new Hashtable();
/**方式3**/
ConcurrentHashMap<Object,Object> concurrentHashMap = new ConcurrentHashMap<Object,Object>(32,0.75f,32);
}
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Collections.synchronizedMap(Map)创建线程安全的map集合
看源码可知，synchronizedMap把创建的对象map赋给要同步的对象mutex，之后每次操作map都会在方法上加上锁。
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HashTable
HashTable中对数据操作的大部分方法都会上锁，与方式1原理相似。如图中HashTable源码所示。
缺点就是效率低，有些时候没必要加锁，却仍要线程等待。
hashtable的put方法：
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ConcurrentHashMap
HashMap是由Entry<K, V>[]数组（jdk1.7）, Node<K, V>[]数组（jdk1.8）组成，
而ConcurrentHashMap是由 Segment[HashEntry[]] （jdk1.7），Node<K, V>[]数组（jdk1.8）组成。
在jdk1.7中ConcurrentHashMap的底层数据结构是数组（Segment）加链表（HashEntry），可以看到内部类Segment的结构
/** Segment类继承于ReentrantLock类，所以Segment本质上是一个可重入的互斥锁 */ static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 2249069246763182397L; //存放数据的节点，与HashMap不同，用volatile修饰value和next节点 transient volatile HashEntry<K,V>[] table; transient int count; transient int modCount; transient int threshold; final float loadFactor; } 在来看jdk1.7中ConcurrentHashMap的put方法
/** 1 先定位到Segment，然后进行put操作 */ public V put(K key, V value) { Segment<K,V> s; //注意不能put空value if (value == null) throw new NullPointerException(); int hash = hash(key); int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask; // 如果找不到该Segment，则新建一个。 if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) s = ensureSegment(j); return s.put(key, hash, value, false); }/** 2 put操作开始前，线程会获取Segment的互斥锁 * 更改或新建key-value键值对后再释放锁 */ final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) { /** *tryLock()获取锁，成功返回true，失败返回false。 *获取锁失败的话，则通过scanAndLockForPut()“自旋”获取锁， *并返回”要插入的key-value“对应的”HashEntry链表。 */ HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value); V oldValue; try { //根据”hash值获取HashEntry数组中对应的HashEntry链表 HashEntry<K,V>[] tab = table; int index = (tab.length - 1) & hash; HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index); //遍历该 HashEntry链表 for (HashEntry<K,V> e = first;;) { //HashEntry链表中的当前HashEntry节点不为null if (e != null) { K k; //hash相等处的key也相等则覆盖value值 if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) { oldValue = e.value; //onlyIfAbsent:要插入的key不存在时才插入 if (!onlyIfAbsent) { e.value = value; ++modCount; } break; } e = e.next; } //当前HashEntry节点为null else { // 如果node非空，则将first设置为“node的下一个节点”。 // 否则，新建HashEntry链表 if (node != null) node.setNext(first); else node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first); int c = count + 1; if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY) //超出阈值则扩容 rehash(node); else setEntryAt(tab, index, node); ++modCount; count = c; oldValue = null; break; } } } finally { //释放锁 unlock(); } return oldValue; } 综上，**ConcurrentHashMap线程安全的实现原理（jdk1.7）：**对于ConcurrentHashMap的添加，删除操作，在操作开始前，线程都会获取Segment的互斥锁；操作完毕之后，才会释放。而对于读取操作，它是通过volatile去实现的，HashEntry数组是volatile类型的，而volatile能保证“即对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入”，即我们总能读到其它线程写入HashEntry之后的值。参考链接
而jdk1.8使用红黑树O（logn）来优化链表O（n）;并取消了segment数组，直接用Node[]保存数据，降低锁的粒度，减少并发冲突的概率。
ConcurrentHashMap(jdk1.8)的构造方法及put方法
/**
0.key或value不能为空
1.根据key的hash值定位到桶位置
2.判断if(table==null)，先初始化table。
3.判断if(table[i]==null),cas添加元素。成功则跳出循环，失败则进入下一轮for循环。
4.table[i]!=null，判断是否有其他线程在扩容table，有则帮忙扩容，扩容完成再添加元素。进入真正的put步骤
5.真正的put步骤。桶的位置不为空，synchronized锁锁住头节点，遍历该桶的链表或者红黑树，若key已存在，则覆盖；不存在则将key插入到链表或红黑树的尾部。
*/
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();// key和value不允许null
int hash = spread(key.hashCode());//两次hash，减少hash冲突，可以均匀分布
int binCount = 0;//i处结点标志，0: 未加入新结点, 2: TreeBin或链表结点数, 其它：链表结点数。主要用于每次加入结点后查看是否要由链表转为红黑树
for (Node<K, V>[] tab = table; ; ) {
//CAS经典写法，不成功无限重试
Node<K, V> f;
int n, i, fh;
//检查是否初始化了，如果没有，则初始化
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
/**
* i=(n-1)&hash 等价于i=hash%n(前提是n为2的幂次方).即取出table中位置的节点用f表示。 有如下两种情况：
* 1、如果table[i]==null(即该位置的节点为空，没有发生碰撞)，则利用CAS操作直接存储在该位置， 如果CAS操作成功则退出死循环。
* 2、如果table[i]!=null(即该位置已经有其它节点，发生碰撞)
*/
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
} else if ((fh = f.hash) == MOVED)//检查table[i]的节点的hash是否等于MOVED，如果等于，则检测到正在扩容，则帮助其扩容
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
//table[i]的节点的hash值不等于MOVED。
V oldVal = null;
// 针对首个节点进行加锁操作，而不是segment，进一步减少线程冲突
synchronized (f) {
//判断加锁时当前位置节点是否被其他线程操作，被改变则再去循环
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K, V> e = f; ; ++binCount) {
K ek;
// 如果在链表中找到值为key的节点e，直接设置e.val = value即可
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
// 如果没有找到值为key的节点，直接新建Node并加入链表即可
Node<K, V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
//插入到链表末尾并跳出循环
pred.next = new Node<K, V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
} else if (f instanceof TreeBin) {
// 如果首节点为TreeBin类型，说明为红黑树结构，执行putTreeVal操作
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) {
// 如果节点数>＝8，那么转换链表结构为红黑树结构
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);//若length<64,直接tryPresize,两倍table.length;不转红黑树
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
// 计数增加1，有可能触发transfer操作(扩容)
addCount(1L, binCount);
return null;
}
ConcurrentHashMap（jdk1.8）get操作：
/**
* 根据key在Map中找出其对应的value，如果不存在key，则返回null，
* 其中key不允许为null，否则抛异常
* 对于节点可能在链表或树上的情况，需要分别去查找
*
* @throws NullPointerException if the specified key is null
*/
public V get(Object key) {
Node<K, V>[] tab;
Node<K, V> e, p;
int n, eh;
K ek;
int h = spread(key.hashCode());//两次hash计算出hash值
//根据hash值确定节点位置
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
// 搜索到的节点key与传入的key相同且不为null,直接返回这个节点
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
} else if (eh < 0)//如果eh<0 说明这个节点在树上 直接寻找
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
//否则遍历链表 找到对应的值并返回
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}