Hashmap多线程会导致HashMap的Entry链表形成环形数据结构，一旦形成环形数据结构，Entry的next节点永远不为空，就会产生死循环获取Entry。
HashTable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，其他线程也访问HashTable的同步方法时，会进入阻塞或轮询状态。如线程1使用put进行元素添加，线程2不但不能使用put方法添加元素，也不能使用get方法来获取元素，所以竞争越激烈效率越低。
原理和实现
分段锁技术
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。
另外，ConcurrentHashMap可以做到读取数据不加锁，并且其内部的结构可以让其在进行写操作的时候能够将锁的粒度保持地尽量地小，不用对整个ConcurrentHashMap加锁。
ConcurrentHashMap的内部结构
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守护着一个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。
结构图如下:
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，因此，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，但是带来的好处是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。
ConcurrentHashMap源码分析
Segment
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
transient volatile int count;
transient int modCount;
transient int threshold;
transient volatile HashEntry<K,V>[] table;
final float loadFactor;
}
复制代码- count：Segment中元素的数量
- modCount：对table的大小造成影响的操作的数量（比如put或者remove操作）
- threshold：阈值，Segment里面元素的数量超过这个值依旧就会对Segment进行扩容
- table：链表数组，数组中的每一个元素代表了一个链表的头部
- loadFactor：负载因子，用于确定threshold
count用来统计该段数据的个数，它是volatile变量，它用来协调修改和读取操作，以保证读取操作能够读取到几乎最新的修改。协调方式是这样的，每次修改操作做了结构上的改变，如增加/删除节点(修改节点的值不算结构上的改变)，都要写count值，每次读取操作开始都要读取count的值。这利用了 Java 5中对volatile语义的增强，对同一个volatile变量的写和读存在happens-before关系。
modCount统计段结构改变的次数，主要是为了检测对多个段进行遍历过程中某个段是否发生改变。
threashold用来表示需要进行rehash的界限值。
table数组存储段中节点，每个数组元素是个hash链，用HashEntry表示。table也是volatile，这使得能够读取到最新的 table值而不需要同步。loadFactor表示负载因子。
HashEntry
Segment中的元素是以HashEntry的形式存放在链表数组中的，看一下HashEntry的结构：
static final class HashEntry<K,V> {
final K key;
final int hash;
volatile V value;
final HashEntry<K,V> next;
}
复制代码可以看到HashEntry的一个特点，除了value以外，其他的几个变量都是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(头插法)。
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。。为了确保读操作能够看到最新的值，将value设置成volatile，这避免了加锁。
ConcurrentHashMap的成员变量
...
//初始的容量
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
//初始的加载因子
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
//初始的并发等级，表示当前更新线程的估计数
static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;
//最大容量
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
//最小的segment数量
static final int MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY = 2;
//最大的segment数量
static final int MAX_SEGMENTS = 1 << 16;
//
static final int RETRIES_BEFORE_LOCK = 2;
// segments 的掩码值, key 的散列码的高位用来选择具体的 segment
final int segmentMask;
// 偏移量
final int segmentShift;
final Segment<K,V>[] segments;
复制代码ConcurrentHashMap的初始化
// 创建一个带有指定初始容量、加载因子和并发级别的新的空映射
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,
float loadFactor, int concurrencyLevel) {
if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
// 寻找最佳匹配参数（不小于给定参数的最接近的 2^n）
int sshift = 0; // 用来记录向左按位移动的次数
int ssize = 1; // 用来记录Segment数组的大小
// 计算并行级别 ssize，因为要保持并行级别是 2^n
while (ssize < concurrencyLevel) {
++sshift;
ssize <<= 1;
}
//用于定位元素所在segment。
//segmentShift表示偏移位数，通过前面的int类型的位的描述我们可以得知，int类型的数字在变大的过程中，
//低位总是比高位先填满的，为保证元素在segment级别分布的尽量均匀，计算元素所在segment时，
//总是取hash值的高位进行计算。segmentMask作用就是为了利用位运算中取模的操作：
//a % (Math.pow(2,n)) 等价于 a&( Math.pow(2,n)-1)
// 若为默认值，concurrencyLevel 为 16，sshift 为 4
// 那么计算出 segmentShift 为 28，segmentMask 为 15
this.segmentShift = 32 - sshift;
this.segmentMask = ssize - 1;
if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
// 记录每个 Segment 上要放置多少个元素
int c = initialCapacity / ssize;
// 假如有余数，则Segment数量加1
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
//保证每个Segment中tabel数组的大小，一定为2的幂，初始化的三个参数取默认值时，table数组大小为2
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
// create segments and segments[0]
//初始化Segment数组，并实际只填充Segment数组的第0个元素。
Segment<K,V> s0 =
new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
(HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
this.segments = ss;
}
复制代码CurrentHashMap的初始化一共有三个参数:
- 一个initialCapacity，表示初始的容量，
- 一个loadFactor，表示负载参数，
- 最后一个是concurrentLevel，代表ConcurrentHashMap内部的Segment的数量，ConcurrentLevel一经指定，不可改变，后续如果ConcurrentHashMap的元素数量增加导致ConrruentHashMap需要扩容，ConcurrentHashMap不会增加Segment的数量，而只会增加Segment中链表数组的容量大小，这样的好处是扩容过程不需要对整个ConcurrentHashMap做rehash，而只需要对Segment里面的元素做一次rehash就可以了。
整个ConcurrentHashMap的初始化方法还是非常简单的，先是根据concurrentLevel来new出Segment，这里Segment的数量是不大于concurrentLevel的最大的2的指数，就是说Segment的数量永远是2的指数个，这样的好处是方便采用移位操作来进行hash，加快hash的过程。
接下来就是根据intialCapacity确定Segment的容量的大小，每一个Segment的容量大小也是2的指数，同样使为了加快hash的过程。
这边需要特别注意一下两个变量，分别是segmentShift和segmentMask，这两个变量在后面将会起到很大的作用，假设构造函数确定了Segment的数量是2的n次方，那么segmentShift就等于32减去n，而segmentMask就等于2的n次方减一。
当用 new ConcurrentHashMap() 无参构造函数进行初始化的，那么初始化完成后：
- Segment 数组长度为 16，不可以扩容
- Segment[i] 的默认大小为 2，负载因子是 0.75，得出初始阈值为 1.5，也就是以后插入第一个元素不会触发扩容，插入第二个会进行第一次扩容
- 这里初始化了 segment[0]，其他位置还是 null
- 当前 segmentShift 的值为 32 – 4 = 28，segmentMask 为 16 – 1 = 15，姑且把它们简单 翻译 为移位数和掩码，这两个值马上就会用到
hash()方法
private int hash(Object k) {
int h = hashSeed;
//如果Key是字符串类型，则使用专门为字符串设计的Hash方法，否则使用一连串的异或操作增加hash随机性
if ((0 != h) && (k instanceof String)) {
return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
}
h ^= k.hashCode();
// Spread bits to regularize both segment and index locations,
// using variant of single-word Wang/Jenkins hash.
h += (h << 15) ^ 0xffffcd7d;
h ^= (h >>> 10);
h += (h << 3);
h ^= (h >>> 6);
h += (h << 2) + (h << 14);
return h ^ (h >>> 16);
}
复制代码初始化Segment
ConcurrentHashMap 初始化的时候会初始化第一个槽 segment[0]，对于其他槽来说，在插入第一个值的时候进行初始化。
这里需要考虑并发，因为很可能会有多个线程同时进来初始化同一个槽 segment[k]，不过只要有一个成功了就可以。
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
Segment<K,V> seg;
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
// 这里看到为什么之前要初始化 segment[0] 了，
// 使用当前 segment[0] 处的数组长度和负载因子来初始化 segment[k]
// 为什么要用“当前”，因为 segment[0] 可能早就扩容过了
Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
int cap = proto.table.length;
float lf = proto.loadFactor;
int threshold = (int)(cap * lf);
// 初始化 segment[k] 内部的数组
HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) { // recheck Segment[k] 是否被其它线程初始化了
Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
// 使用 while 循环，内部用 CAS，当前线程成功设值或其他线程成功设值后，退出
while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
== null) {
if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
break;
}
}
}
return seg;
}
复制代码put过程分析
当执行put方法插入数据时，根据key的hash值，在Segment数组中找到相应的位置，如果相应位置的Segment还未初始化，则通过CAS进行赋值，接着执行Segment对象的put方法通过加锁机制插入数据
场景：线程A和线程B同时执行相同Segment对象的put方法
1. 线程A执行tryLock()方法成功获取锁，则把HashEntry对象插入到相应的位置；
2. 线程B获取锁失败，则执行scanAndLockForPut()方法，在scanAndLockForPut方法中，会通过重复执行tryLock()方法尝试获取锁，在多处理器环境下，重复次数为64，单处理器重复次数为1，当执行tryLock()方法的次数超过上限时，则执行lock()方法挂起线程B；
3. 当线程A执行完插入操作时，会通过unlock()方法释放锁，接着唤醒线程B继续执行；
复制代码put 方法的过程:
-
判断value是否为null，如果为null，直接抛出异常。注：不允许key或者value为null
-
通过哈希算法定位到Segment（key通过一次hash运算得到一个hash值，将得到hash值向右按位移动segmentShift位，然后再与segmentMask做&运算得到segment的索引j）。
-
使用Unsafe的方式从Segment数组中获取该索引对应的Segment对象
-
向这个Segment对象中put值
注：对共享变量进行写入操作为了线程安全，在操作共享变量时必须得加锁，持有段锁(锁定整个segment)的情况下执行的。修改数据是不能并发进行的
判断该值的插入是否会导致该 segment 的元素个数超过阈值，以确保容量不足时能够rehash扩容，再插值。
注：rehash 扩容 segment 数组不能扩容，扩容的是 segment 数组某个位置内部的数组 HashEntry[] 扩容为原来的 2 倍。先进行扩容，再插值
查找是否存在同样一个key的结点，存在直接替换这个结点的值。否则创建一个新的结点并添加到hash链的头部，修改modCount和count的值，修改count的值一定要放在最后一步。
public V put(K key, V value) {
Segment<K,V> s;
if (value == null)
throw new NullPointerException();
int hash = hash(key);
// 根据 hash 值找到 Segment 数组中的位置 j
// hash 是 32 位，无符号右移 segmentShift(28) 位，剩下高 4 位，
// 然后和 segmentMask(15) 做一次与操作，也就是说 j 是 hash 值的高 4 位，也就是槽的数组下标
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
// 刚刚说了，初始化的时候初始化了 segment[0]，但是其他位置还是 null，
// ensureSegment(j) 对 segment[j] 进行初始化
if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject // nonvolatile; recheck
(segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) // in ensureSegment
s = ensureSegment(j);
// 插入新值到 槽 s 中
return s.put(key, hash, value, false);
}
复制代码Segment 内部是由 数组+链表 组成的。
final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
// 先获取该 segment 的独占锁
// 每一个Segment进行put时，都会加锁
HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null :
scanAndLockForPut(key, hash, value);
V oldValue;
try {
// segment 内部的数组
HashEntry<K,V>[] tab = table;
// 利用 hash 值，求应该放置的数组下标
int index = (tab.length - 1) & hash;
// 数组该位置处的链表的表头
HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
// 如果链头不为 null
if (e != null) {
K k;
//如果在该链中找到相同的key，则用新值替换旧值，并退出循环
if ((k = e.key) == key ||
(e.hash == hash && key.equals(k))) {
oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent) {
e.value = value;
++modCount;
}
break;
}
//如果没有和key相同的，一直遍历到链尾，链尾的next为null，进入到else
e = e.next;
}
else {
// node 到底是不是 null，这个要看获取锁的过程，不过和这里都没有关系。
// 如果不为 null，那就直接将它设置为链表表头；如果是null，初始化并设置为链表表头。
if (node != null)
node.setNext(first);
else
node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
int c = count + 1;
// 如果超过了该 segment 的阈值，这个 segment 需要扩容
if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
rehash(node);
else
// 没有达到阈值，将 node 放到数组 tab 的 index 位置，
// 其实就是将新的节点设置成原链表的表头
setEntryAt(tab, index, node);
++modCount;
count = c;
oldValue = null;
break;
}
}
} finally {
// 解锁
unlock();
}
return oldValue;
}
复制代码get()方法
-
计算 hash 值，找到 segment 数组中的具体位置,使用Unsafe获取对应的Segment
-
根据 hash 找到数组中具体的位置
-
从链表头开始遍历整个链表（因为Hash可能会有碰撞，所以用一个链表保存），如果找到对应的key，则返回对应的value值，否则返回null。
注：get操作不需要锁，由于其中涉及到的共享变量都使用volatile修饰，volatile可以保证内存可见性，所以不会读取到过期数据。
public V get(Object key) {
Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
HashEntry<K,V>[] tab;
int h = hash(key);
long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
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;
}
复制代码remove操作
Remove操作的前面一部分和前面的get和put操作一样，都是定位Segment的过程，然后再调用Segment的remove方法：
final V remove(Object key, int hash, Object value) {
if (!tryLock())
scanAndLock(key, hash);
V oldValue = null;
try {
HashEntry<K,V>[] tab = table;
int index = (tab.length - 1) & hash;
HashEntry<K,V> e = entryAt(tab, index);
HashEntry<K,V> pred = null;
while (e != null) {
K k;
HashEntry<K,V> next = e.next;
if ((k = e.key) == key || (e.hash == hash && key.equals(k))) {
V v = e.value;
if (value == null || value == v || value.equals(v)) {
if (pred == null)
setEntryAt(tab, index, next);
else
pred.setNext(next);
++modCount;
--count;
oldValue = v;
}
break;
}
pred = e;
e = next;
}
} finally {
unlock();
}
return oldValue;
}
复制代码首先remove操作也是确定需要删除的元素的位置，不过这里删除元素的方法不是简单地把待删除元素的前面的一个元素的next指向后面一个就完事了，前面已经说过HashEntry中的next是final的，一经赋值以后就不可修改，在定位到待删除元素的位置以后，程序就将待删除元素前面的那一些元素全部复制一遍，然后再一个一个重新接到链表上去，看一下下面这一幅图来了解这个过程：
假设链表中原来的元素如上图所示，现在要删除元素3，那么删除元素3以后的链表就如下图所示：
注意：图1和2的元素顺序相反了，为什么这样，不防再仔细看看源码或者再读一遍上面remove的分析过程，元素复制是从待删除元素位置起将前面的元素逐一复制的，然后再将后面的链接起来。
size 操作
size操作需要遍历所有的Segment才能算出整个Map的大小。先采用不加锁的方式，循环所有的Segment（通过Unsafe的getObjectVolatile()以保证原子读语义）连续计算元素的个数，最多计算3次：
- 如果前后两次计算结果相同，则说明计算出来的元素个数是准确的；
- 如果前后两次计算结果都不同，则给每个Segment进行加锁，再计算一次元素的个数；
注：在put,remove和clean方法里操作元素前都会将变量modCount进行加1，那么在统计size前后比较modCount是否发生变化，从而得知容器的大小是否发生变化。