最近一次面试被问到ConcurrentHashMap原理，segment的数据结构，以及为什么可以保证并发下的效率（相比HashTable直接加锁），虽然知道利用的分段锁技术，但是具体的不是很清楚。
一、背景：
线程不安全的HashMap
因为多线程环境下，使用Hashmap进行put操作会引起死循环，导致CPU利用率接近100%，所以在并发情况下不能使用HashMap。
效率低下的HashTable容器
HashTable容器使用synchronized来保证线程安全，但在线程竞争激烈的情况下HashTable的效率非常低下。因为当一个线程访问HashTable的同步方法时，其他线程访问HashTable的同步方法时，可能会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行添加元素，线程2不但不能使用put方法添加元素，并且也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。
锁分段技术
HashTable容器在竞争激烈的并发环境下表现出效率低下的原因，是因为所有访问HashTable的线程都必须竞争同一把锁，那假如容器里有多把锁，每一把锁用于锁容器其中一部分数据，那么当多线程访问容器里不同数据段的数据时，线程间就不会存在锁竞争，从而可以有效的提高并发访问效率，这就是ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术，首先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。有些方法需要跨段，比如size()和containsValue()，它们可能需要锁定整个表而而不仅仅是某个段，这需要按顺序锁定所有段，操作完毕后，又按顺序释放所有段的锁。这里“按顺序”是很重要的，否则极有可能出现死锁，在ConcurrentHashMap内部，段数组是final的，并且其成员变量实际上也是final的，但是，仅仅是将数组声明为final的并不保证数组成员也是final的，这需要实现上的保证。这可以确保不会出现死锁，因为获得锁的顺序是固定的。
ConcurrentHashMap是由Segment数组结构和HashEntry数组结构组成。Segment是一种可重入锁ReentrantLock，在ConcurrentHashMap里扮演锁的角色，HashEntry则用于存储键值对数据。一个ConcurrentHashMap里包含一个Segment数组，Segment的结构和HashMap类似，是一种数组和链表结构， 一个Segment里包含一个HashEntry数组，每个HashEntry是一个链表结构的元素， 每个Segment守护者一个HashEntry数组里的元素,当对HashEntry数组的数据进行修改时，必须首先获得它对应的Segment锁。
源码分析
成员变量
ConcurrentHashMap采用了非常精妙的"分段锁"策略，ConcurrentHashMap的主干是个Segment数组。
final Segment<K,V>[] segments;Segment继承了ReentrantLock，所以它就是一种可重入锁（ReentrantLock)。在ConcurrentHashMap，一个Segment就是一个子哈希表，Segment里维护了一个HashEntry数组，并发环境下，对于不同Segment的数据进行操作是不用考虑锁竞争的。（就按默认的ConcurrentLevel为16来讲，理论上就允许16个线程并发执行，有木有很酷）
所以，对于同一个Segment的操作才需考虑线程同步，不同的Segment则无需考虑。
Segment类似于HashMap，一个Segment维护着一个HashEntry数组
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;HashEntry是目前我们提到的最小的逻辑处理单元了。一个ConcurrentHashMap维护一个Segment数组，一个Segment维护一个HashEntry数组。很多final 定义的成员变量。
不变(Immutable)和易变(Volatile)
ConcurrentHashMap完全允许多个读操作并发进行，读操作并不需要加锁。如果使用传统的技术，如HashMap中的实现，如果允许可以在hash链的中间添加或删除元素，读操作不加锁将得到不一致的数据。ConcurrentHashMap实现技术是保证HashEntry几乎是不可变的。HashEntry代表每个hash链中的一个节点，其结构如下所示：
static final class HashEntry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V value;
volatile HashEntry<K,V> next;
//其他省略
} 可以看到除了value不是final的，其它值都是final的，这意味着不能从hash链的中间或尾部添加或删除节点，因为这需要修改next 引用值，所有的节点的修改只能从头部开始。对于put操作，可以一律添加到Hash链的头部。但是对于remove操作，可能需要从中间删除一个节点，这就需要将要删除节点的前面所有节点整个复制一遍，最后一个节点指向要删除结点的下一个结点。
我们说Segment类似哈希表，那么一些属性就跟我们之前提到的HashMap差不离，比如负载因子loadFactor，比如阈值threshold等等，看下Segment的构造方法
Segment(float lf, int threshold, HashEntry<K,V>[] tab) {
this.loadFactor = lf;//负载因子
this.threshold = threshold;//阈值
this.table = tab;//主干数组即HashEntry数组
}构造方法
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
2 float loadFactor, int concurrencyLevel) {
3 if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
4 throw new IllegalArgumentException();
5 //MAX_SEGMENTS 为1<<16=65536，也就是最大并发数为65536
6 if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
7 concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
8 //2的sshif次方等于ssize，例:ssize=16,sshift=4;ssize=32,sshif=5
9 int sshift = 0;
10 //ssize 为segments数组长度，根据concurrentLevel计算得出
11 int ssize = 1;
12 while (ssize < concurrencyLevel) {
13 ++sshift;
14 ssize <<= 1;
15 }
16 //segmentShift和segmentMask这两个变量在定位segment时会用到，后面会详细讲
17 this.segmentShift = 32 - sshift;
18 this.segmentMask = ssize - 1;
19 if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
20 initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
21 //计算cap的大小，即Segment中HashEntry的数组长度，cap也一定为2的n次方.
22 int c = initialCapacity / ssize;
23 if (c * ssize < initialCapacity)
24 ++c;
25 int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
26 while (cap < c)
27 cap <<= 1;
28 //创建segments数组并初始化第一个Segment，其余的Segment延迟初始化
29 Segment<K,V> s0 =
30 new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
31 (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
32 Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
33 UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0);
34 this.segments = ss;
35 }成员方法
put方法
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
//concurrentHashMap不允许key/value为空
if (value == null)
throw new NullPointerException();
//hash函数对key的hashCode重新散列，避免差劲的不合理的hashcode，保证散列均匀
int hash = hash(key);
//返回的hash值无符号右移segmentShift位与段掩码进行位运算，定位segment
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
return s.put(key, hash, value, false);
}可以看出：put方法主要是两个过程1.先通过hash值再散列找到segment的index地址（对应的segment）2.调用对应segment的put方法。
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;计算segment的index主要用到两个参数：
关于segmentShift和segmentMask
segmentShift和segmentMask这两个全局变量的主要作用是用来定位Segment，int j =(hash >>> segmentShift) & segmentMask。
segmentMask：段掩码，假如segments数组长度为16，则段掩码为16-1=15；segments长度为32，段掩码为32-1=31。这样得到的所有bit位都为1，可以更好地保证散列的均匀性
segmentShift：2的sshift次方等于ssize，segmentShift=32-sshift。若segments长度为16，segmentShift=32-4=28;若segments长度为32，segmentShift=32-5=27。而计算得出的hash值最大为32位，无符号右移segmentShift，则意味着只保留高几位（其余位是没用的），然后与段掩码segmentMask位运算来定位Segment。
- 既然ConcurrentHashMap使用分段锁Segment来保护不同段的数据，那么在插入和获取元素的时候，必须先通过哈希算法定位到Segment。可以看到ConcurrentHashMap会首先使用Wang/Jenkins hash的变种算法对元素的hashCode进行一次再哈希。
- 再哈希：其目的是为了减少哈希冲突，使元素能够均匀的分布在不同的Segment上，从而提高容器的存取效率。假如哈希的质量差到极点，那么所有的元素都在一个Segment中，不仅存取元素缓慢，分段锁也会失去意义。
接下来看一下 Segment的put方法：
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);//tryLock不成功时会遍历定位到的HashEnry位置的链表（遍历主要是为了使CPU缓存链表），若找不到，则创建HashEntry。tryLock一定次数后（MAX_SCAN_RETRIES变量决定），则lock。若遍历过程中，由于其他线程的操作导致链表头结点变化，则需要重新遍历。
V oldValue;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;//定位HashEntry，可以看到，这个hash值在定位Segment时和在Segment中定位HashEntry都会用到，只不过定位Segment时只用到高几位。
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> 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<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
//若c超出阈值threshold，需要扩容并rehash。扩容后的容量是当前容量的2倍。这样可以最大程度避免之前散列好的entry重新散列，具体在另一篇文章中有详细分析，不赘述。扩容并rehash的这个过程是比较消耗资源的。
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}大体上可以总结为：
- 首先对整个段进行加锁然后初始化段中的hashEntry
- 获取到整个hashEntry的长度，那么就根据段内的段长度，找到key的地址（在段内的地址不同于之前寻找段地址）
- 然后找到对应HashEntry(存在该entry)如果key相同，hash地址相同，那么就覆盖，如果没有，就添加value
- 若没有该HashEntry,就创建，此时要判断segment是否要扩容，考虑扩容的状况rehash()方法
- 最终添加好HashEntry，将其放在头结点，最后释放锁unlock
private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
/*
* Reclassify nodes in each list to new table. Because we
* are using power-of-two expansion, the elements from
* each bin must either stay at same index, or move with a
* power of two offset. We eliminate unnecessary node
* creation by catching cases where old nodes can be
* reused because their next fields won't change.
* Statistically, at the default threshold, only about
* one-sixth of them need cloning when a table
* doubles. The nodes they replace will be garbage
* collectable as soon as they are no longer referenced by
* any reader thread that may be in the midst of
* concurrently traversing table. Entry accesses use plain
* array indexing because they are followed by volatile
* table write.
*/
HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
int newCapacity = oldCapacity << 1;
threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
HashEntry<K,V>[] newTable =
(HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
int sizeMask = newCapacity - 1;
for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
if (e != null) {
HashEntry<K,V> next = e.next;
int idx = e.hash & sizeMask;
if (next == null) // Single node on list
newTable[idx] = e;
else { // Reuse consecutive sequence at same slot
HashEntry<K,V> lastRun = e;
int lastIdx = idx;
for (HashEntry<K,V> last = next;
last != null;
last = last.next) {
int k = last.hash & sizeMask;
if (k != lastIdx) {
lastIdx = k;
lastRun = last;
}
}
newTable[lastIdx] = lastRun;
// Clone remaining nodes
for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
V v = p.value;
int h = p.hash;
int k = h & sizeMask;
HashEntry<K,V> n = newTable[k];
newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
}
}
}
}
int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
node.setNext(newTable[nodeIndex]);
newTable[nodeIndex] = node;
table = newTable;
}get（）方法
ConcurrentHashMap的get操作是直接委托给Segment的get方法，直接看Segment的get方法：
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s;
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
//先定位Segment，再定位HashEntry
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
(tab = s.table) != null) {
for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) 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;
}- get操作不需要锁。
- 除非读到的值是空的才会加锁重读，我们知道HashTable容器的get方法是需要加锁的，那么ConcurrentHashMap的get操作是如何做到不加锁的呢？原因是它的get方法里将要使用的共享变量都定义成volatile
- 第一步是访问count变量，这是一个volatile变量，由于所有的修改操作在进行结构修改时都会在最后一步写count 变量，通过这种机制保证get操作能够得到几乎最新的结构更新。对于非结构更新，也就是结点值的改变，由于HashEntry的value变量是 volatile的，也能保证读取到最新的值。
- 接下来就是根据hash和key对hash链进行遍历找到要获取的结点，如果没有找到，直接访回null。对hash链进行遍历不需要加锁的原因在于链指针next是final的。但是头指针却不是final的，这是通过getFirst(hash)方法返回，也就是存在 table数组中的值。这使得getFirst(hash)可能返回过时的头结点，例如，当执行get方法时，刚执行完getFirst(hash)之后，另一个线程执行了删除操作并更新头结点，这就导致get方法中返回的头结点不是最新的。这是可以允许，通过对count变量的协调机制，get能读取到几乎最新的数据，虽然可能不是最新的。要得到最新的数据，只有采用完全的同步。
- 最后，如果找到了所求的结点，判断它的值如果非空就直接返回，否则在有锁的状态下再读一次。这似乎有些费解，理论上结点的值不可能为空，这是因为 put的时候就进行了判断，如果为空就要抛NullPointerException。空值的唯一源头就是HashEntry中的默认值，因为 HashEntry中的value不是final的，非同步读取有可能读取到空值。仔细看下put操作的语句：tab[index] = new HashEntry<K,V>(key, hash, first, value)，在这条语句中，HashEntry构造函数中对value的赋值以及对tab[index]的赋值可能被重新排序，这就可能导致结点的值为空。这里当v为空时，可能是一个线程正在改变节点，而之前的get操作都未进行锁定，根据bernstein条件，读后写或写后读都会引起数据的不一致，所以这里要对这个e重新上锁再读一遍，以保证得到的是正确值。
remove（）方法
public V remove(Object key) {
int hash = hash(key);
Segment<K,V> s = segmentForHash(hash);
return s == null ? null : s.remove(key, hash, null);
}- 先定位到段，如果没有段，返回null
- 找到段，调用段的remove方法
final V remove(Object key, int hash, Object value) {
//获取锁
if (!tryLock())
scanAndLock(key, hash);
V oldValue = null;
try {
//tab是当前segment所连接的HashEntry数组
HashEntry<K,V>[] tab = table;
//确定key的hash值所在HashEntry数组的索引位置
int index = (tab.length - 1) & hash;
//取得要放入的HashEntry链的链头
HashEntry<K,V> e = entryAt(tab, index);
//pred用来记录待删除节点的前一个节点
HashEntry<K,V> pred = null;
while (e != null) {
K k;
HashEntry<K,V> next = e.next;
//当找到了待删除及节点的位置
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
V v = e.value;
if (value == null || value == v || value.equals(v)) {
//如果待删除节点的前节点为null，即待删除节点时链头节点，此时把该位置指向第2个结点就行了
if (pred == null)
setEntryAt(tab, index, next);
//如果有前节点，则待删除节点的前节点的next指向待删除节点的的下一个节点，删除成功
else
pred.setNext(next);
++modCount;
--count;
oldValue = v;
}
break;
}
pred = e;
e = next;
}
} finally {
//最后关闭锁
unlock();
}
return oldValue;
}- 先获得锁
- 根据hash值，找到key在段内的位置
- 如果待删除节点是头结点，将该位置指向第二个节点
- 如果不是，将该节点前一个节点的next指向下一个
- 释放锁