ConcurrentHashMap 的工作原理及代码实现
ConcurrentHashMap 的工作原理及代码实现
HashTable里使用的是synchronized关键字，这其实是对对象加锁，锁住的都是对象整体，当Hashtable的大小增加到一定的时候，性能会急剧下降，因为迭代时需要被锁定很长的时间。
ConcurrentHashMap算是对上述问题的优化，其构造函数如下，默认传入的是16，0.75，16。
public ConcurrentHashMap(int paramInt1, float paramFloat, int paramInt2) {
//…
int i = 0;
int j = 1;
while (j < paramInt2) {
++i;
j <<= 1;
}
this.segmentShift = (32 - i);
this.segmentMask = (j - 1);
this.segments = Segment.newArray(j);
//…
int k = paramInt1 / j;
if (k * j < paramInt1)
++k;
int l = 1;
while (l < k)
l <<= 1;
for (int i1 = 0; i1 < this.segments.length; ++i1)
this.segments[i1] = new Segment(l, paramFloat);
}
public V put(K paramK, V paramV) {
if (paramV == null)
throw new NullPointerException();
int i = hash(paramK.hashCode()); //这里的hash函数和HashMap中的不一样
return this.segments[(i >>> this.segmentShift & this.segmentMask)].put(paramK, i, paramV, false);
}
ConcurrentHashMap引入了分割(Segment)，上面代码中的最后一行其实就可以理解为把一个大的Map拆分成N个小的HashTable，在put方法中，会根据hash(paramK.hashCode())来决定具体存放进哪个Segment，如果查看Segment的put操作，我们会发现内部使用的同步机制是基于lock操作的，这样就可以对Map的一部分（Segment）进行上锁，这样影响的只是将要放入同一个Segment的元素的put操作，保证同步的时候，锁住的不是整个Map（HashTable就是这么做的），相对于HashTable提高了多线程环境下的性能，因此HashTable已经被淘汰了。
https://crossoverjie.top/2018/07/23/java-senior/ConcurrentHashMap/
前言
Map 这样的 Key Value 在软件开发中是非常经典的结构，常用于在内存中存放数据。
本篇主要想讨论 ConcurrentHashMap 这样一个并发容器，在正式开始之前我觉得有必要谈谈 HashMap，没有它就不会有后面的 ConcurrentHashMap。
HashMap
众所周知 HashMap 底层是基于 数组 + 链表 组成的，不过在 jdk1.7 和 1.8 中具体实现稍有不同。
Base 1.7
1.7 中的数据结构图：
1.7
这是 HashMap 中比较核心的几个成员变量；看看分别是什么意思？
初始化桶大小，因为底层是数组，所以这是数组默认的大小。
桶最大值。
默认的负载因子（0.75）
table 真正存放数据的数组。
Map 存放数量的大小。
桶大小，可在初始化时显式指定。
负载因子，可在初始化时显式指定。
Entry 是 HashMap 中的一个内部类，从他的成员变量很容易看出：
key 就是写入时的键。
value 自然就是值。
开始的时候就提到 HashMap 是由数组和链表组成，所以这个 next 就是用于实现链表结构。
hash 存放的是当前 key 的 hashcode。
put 方法
判断当前数组是否需要初始化。
如果 key 为空，则 put 一个空值进去。
根据 key 计算出 hashcode。
根据计算出的 hashcode 定位出所在桶。
如果桶是一个链表则需要遍历判断里面的 hashcode、key 是否和传入 key 相等，如果相等则进行覆盖，并返回原来的值。
如果桶是空的，说明当前位置没有数据存入；新增一个 Entry 对象写入当前位置。
get 方法
再来看看 get 函数：
首先也是根据 key 计算出 hashcode，然后定位到具体的桶中。
判断该位置是否为链表。
不是链表就根据 key、key 的 hashcode 是否相等来返回值。
为链表则需要遍历直到 key 及 hashcode 相等时候就返回值。
啥都没取到就直接返回 null 。
Base 1.8
不知道 1.7 的实现大家看出需要优化的点没有？
其实一个很明显的地方就是：
当 Hash 冲突严重时，在桶上形成的链表会变的越来越长，这样在查询时的效率就会越来越低；时间复杂度为 O(N)。
因此 1.8 中重点优化了这个查询效率。
和 1.7 大体上都差不多，还是有几个重要的区别：
TREEIFY_THRESHOLD 用于判断是否需要将链表转换为红黑树的阈值。
HashEntry 修改为 Node。
Node 的核心组成其实也是和 1.7 中的 HashEntry 一样，存放的都是 key value hashcode next 等数据。
再来看看核心方法。
put 方法
看似要比 1.7 的复杂，我们一步步拆解：
判断当前桶是否为空，空的就需要初始化（resize 中会判断是否进行初始化）。
根据当前 key 的 hashcode 定位到具体的桶中并判断是否为空，为空表明没有 Hash 冲突就直接在当前位置创建一个新桶即可。
如果当前桶有值（ Hash 冲突），那么就要比较当前桶中的 key、key 的 hashcode 与写入的 key 是否相等，相等就赋值给 e,在第 8 步的时候会统一进行赋值及返回。
如果当前桶为红黑树，那就要按照红黑树的方式写入数据。
如果是个链表，就需要将当前的 key、value 封装成一个新节点写入到当前桶的后面（形成链表）。
接着判断当前链表的大小是否大于预设的阈值，大于时就要转换为红黑树。
如果在遍历过程中找到 key 相同时直接退出遍历。
如果 e != null 就相当于存在相同的 key,那就需要将值覆盖。
最后判断是否需要进行扩容。
get 方法
get 方法看起来就要简单许多了。
首先将 key hash 之后取得所定位的桶。
如果桶为空则直接返回 null 。
否则判断桶的第一个位置(有可能是链表、红黑树)的 key 是否为查询的 key，是就直接返回 value。
如果第一个不匹配，则判断它的下一个是红黑树还是链表。
红黑树就按照树的查找方式返回值。
不然就按照链表的方式遍历匹配返回值。
从这两个核心方法（get/put）可以看出 1.8 中对大链表做了优化，修改为红黑树之后查询效率直接提高到了 O(logn)。
但是 HashMap 原有的问题也都存在，比如在并发场景下使用时容易出现死循环。
强烈建议使用第一种 EntrySet 进行遍历。
第一种可以把 key value 同时取出，第二种还得需要通过 key 取一次 value，效率较低。
简单总结下 HashMap：无论是 1.7 还是 1.8 其实都能看出 JDK 没有对它做任何的同步操作，所以并发会出问题，甚至 1.7 中出现死循环导致系统不可用（1.8 已经修复死循环问题）。
因此 JDK 推出了专项专用的 ConcurrentHashMap ，该类位于 java.util.concurrent 包下，专门用于解决并发问题。
坚持看到这里的朋友算是已经把 ConcurrentHashMap 的基础已经打牢了，下面正式开始分析。
ConcurrentHashMap
ConcurrentHashMap 同样也分为 1.7 、1.8 版，两者在实现上略有不同。
Base 1.7
Segment 是 ConcurrentHashMap 的一个内部类，主要的组成如下：
和 HashMap 非常类似，唯一的区别就是其中的核心数据如 value ，以及链表都是 volatile 修饰的，保证了获取时的可见性。
原理上来说：ConcurrentHashMap 采用了分段锁技术，其中 Segment 继承于 ReentrantLock。不会像 HashTable 那样不管是 put 还是 get 操作都需要做同步处理，理论上 ConcurrentHashMap 支持 CurrencyLevel (Segment 数组数量)的线程并发。每当一个线程占用锁访问一个 Segment 时，不会影响到其他的 Segment。
下面也来看看核心的 put get 方法。
put
将当前 Segment 中的 table 通过 key 的 hashcode 定位到 HashEntry。
遍历该 HashEntry，如果不为空则判断传入的 key 和当前遍历的 key 是否相等，相等则覆盖旧的 value。
不为空则需要新建一个 HashEntry 并加入到 Segment 中，同时会先判断是否需要扩容。
最后会解除在 1 中所获取当前 Segment 的锁。
get 逻辑比较简单：
只需要将 Key 通过 Hash 之后定位到具体的 Segment ，再通过一次 Hash 定位到具体的元素上。
由于 HashEntry 中的 value 属性是用 volatile 关键词修饰的，保证了内存可见性，所以每次获取时都是最新值。
ConcurrentHashMap 的 get 方法是非常高效的，因为整个过程都不需要加锁。
Base 1.8
也将 1.7 中存放数据的 HashEntry 改为 Node，但作用都是相同的。
其中的 val next 都用了 volatile 修饰，保证了可见性。
put
根据 key 计算出 hashcode 。
判断是否需要进行初始化。
f 即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。
如果当前位置的 hashcode == MOVED == -1,则需要进行扩容。
如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。
如果数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 则要转换为红黑树。
get
根据计算出来的 hashcode 寻址，如果就在桶上那么直接返回值。
如果是红黑树那就按照树的方式获取值。
就不满足那就按照链表的方式遍历获取值。
1.8 在 1.7 的数据结构上做了大的改动，采用红黑树之后可以保证查询效率（O(logn)），甚至取消了 ReentrantLock 改为了 synchronized，这样可以看出在新版的 JDK 中对 synchronized 优化是很到位的。
总结
看完了整个 HashMap 和 ConcurrentHashMap 在 1.7 和 1.8 中不同的实现方式相信大家对他们的理解应该会更加到位。
其实这块也是面试的重点内容，通常的套路是：
谈谈你理解的 HashMap，讲讲其中的 get put 过程。
1.8 做了什么优化？
是线程安全的嘛？
不安全会导致哪些问题？
如何解决？有没有线程安全的并发容器？
ConcurrentHashMap 是如何实现的？ 1.7、1.8 实现有何不同？为什么这么做？
这一串问题相信大家仔细看完都能怼回面试官。
除了面试会问到之外平时的应用其实也蛮多，像之前谈到的 Guava 中 Cache 的实现就是利用 ConcurrentHashMap 的思想。