什么是HashMap？

在了解 HashMap 之前先了解一下什么是 Map；

什么是Map？

定义

Map 是一个用于存储 Key-Value 键值对的集合类，也就是一组键值对的映射，在 Java 中 Map 是一个接口，是和 Collection 接口同一等级的集合根接口；

存储结构

上图看起来像是数据库中的关系表，有类似的两个字段，KeySet（键的集合）和 Values（值的集合），每一个键值对都是一个 Entry；

特点

1. 没有重复的 key；

   • key 用 set 保存，所以 key 必须唯一；

   • Map 基本上是通过 key 来获取 value，如果有两个相同的 key，计算机将不知道取哪个值，如果 put 了两个相同的 key，后一个则会覆盖前一个的 value 值；在源码的注释中已经说明：

     

     大致翻译一下：

     将该 map 中的指定值与指定键关联(可选操作)。如果映射先前包含键的映射，则旧值将被指定的值替换。(当且仅当 {@link #containsKey(Object) m.containsKey(k)} 返回 true 时，映射 m 被称为包含键k的映射。)

2. 每个 key 只能对应一个 value，多个 key 可以对应一个 value（这就是映射的概念，最经典的例子就是射箭，一排的射手和一排的箭靶，每个射手只有一根箭，那么一个射手只能射中一个箭靶，而每个箭靶可能被不同射手射中，箭就是映射）；

3. key，value 都可以是任何引用类型的数据，包括 null，但只能是引用类型；

4. Map 取代了古老的 Dictionary 抽象类（简单了解一下）；

HashMap定义

把任意长度的输入（预映射），通过一种函数 hashCode()，变换成固定长度的输出，该输出就是哈希值 hashCode，这种函数就叫做哈希函数，而计算哈希值的过程就叫做哈希；

哈希的主要应用是哈希表和分布式缓存，注意，哈希算法和哈希函数不是一个东西，哈希函数是哈希算法的一种实现；

HashMap 是用哈希表（数组（桶）加单链表）+ 红黑树实现的 map 类，但是不同版本的 JDK 实现 HashMap 的原理有所不同：

• JDK 1.6 - 1.7 采用位桶 + 链表实现；
• JDK 1.8 采用位桶 + 链表 + 红黑树实现，当链表长度超过阈值 “8” 时，将链表转换为红黑树；

下面以 JDK 1.8 为版本进行讲解；

HashMap底层原理

体系结构

HashMap 是一个用于存储 Key-Value 键值对的集合，每一个键值对也叫做 Entry。HashMap 新增一个元素时，会先计算 key 的 hash 值，找到存入数组（桶）的位置，如果该位置已经有节点（链表头），则存入该节点的最后一个位置（链表尾），所以 HashMap 就是一个数组（桶），数组上每一个元素都是一个节点（节点和所有下一个节点组成一个链表）或者为 null（HashMap 数组每一个元素的初始值都是 null），显然同一个链表上的节点 hash 值都一样。

源码解读

首先看到的是 HashMap 的构造器：

/**
 * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial
 * capacity and load factor.
 *
 * @param  initialCapacity the initial capacity
 * @param  loadFactor      the load factor
 * @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is negative
 *         or the load factor is nonpositive
 */
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                           initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                           loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}

注释中已经说得很清楚了，Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the specified initial capacity and load factor.，这个构造器主要是用来初始化桶的数量和装载因子；

接下来往前看，看一下几个比较重要的常量，DEFAULT_INITIAL_CAPACITY，MAXIMUM_CAPACITY，DEFAULT_LOAD_FACTOR；

可以看到桶的初始容量默认为16，值得注意的是，桶的初始容量和扩容后的容量必须是 2ⁿ，所以桶的最大容量就是2³⁰，即 1 << 30；

默认负载系数为 0.75，负载系数也称为负载因子，是哈希表在其容量自动增加之前可以达到多满的一种尺度，它衡量的是一个散列表的空间的使用程度，负载因子越大表示散列表的装填程度越高，反之愈小。如果负载因子越大，对空间的利用更充分，然而后果是查找效率的降低；如果负载因子太小，那么散列表的数据将过于稀疏，对空间造成严重浪费。经过大量的实验证明， HashMap 的默认负载因子为0.75最宜；

当表中超过75%的位置已经填入元素，这个表就会用双倍的桶数自动地进行再散列(rehashed)，可以通过构造函数初始化；

这里进行扩展一下，便于理解：

---

由于 HashMap 特殊的存储结构，因此 HashMap 在获取指定元素前需要把 key 经过哈希运算，得到目标元素在哈希表中的位置，然后再进行少量比较即可得到元素，这使得 HashMap 的查找效率极高，说白了就是 HashMap 用了拉链法的哈希表，也有称之为桶数组的；

下面看到 JDK 1.8 中的源码部分：

public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

/**
 * Implements Map.put and related methods.
 *
 * @param hash hash for key
 * @param key the key
 * @param value the value to put
 * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
 * @param evict if false, the table is in creation mode.
 * @return previous value, or null if none
 */
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {}

/**
 * Computes key.hashCode() and spreads (XORs) higher bits of hash
 * to lower.  Because the table uses power-of-two masking, sets of
 * hashes that vary only in bits above the current mask will
 * always collide. (Among known examples are sets of Float keys
 * holding consecutive whole numbers in small tables.)  So we
 * apply a transform that spreads the impact of higher bits
 * downward. There is a tradeoff between speed, utility, and
 * quality of bit-spreading. Because many common sets of hashes
 * are already reasonably distributed (so don't benefit from
 * spreading), and because we use trees to handle large sets of
 * collisions in bins, we just XOR some shifted bits in the
 * cheapest possible way to reduce systematic lossage, as well as
 * to incorporate impact of the highest bits that would otherwise
 * never be used in index calculations because of table bounds.
 */
static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

当我们通过 put() 方法输入键值对后，虽然我们只输入了键值对，但他却传递了五个参数，源码注释已经很清楚了，就不多解释了，接下来看到 hash 算法，将键 key 传入，如果 key 为 null，则返回值值为0；否则返回 key 的哈希值与 key 无符号右移16位（h >>> 16）后进行异或的结果；源码注释解释了为什么要进行这样的操作，主要是为了减少冲突，较低系统消耗；

哈希函数计算结果越分散均匀，哈希碰撞的概率就越小，map 的存取效率就会越高，即时间复杂度越小；

哈希表长度越长，空间成本越大，哈希函数计算结果越分散均匀；

扩容机制（实际上就是负载因子）和哈希函数越合理，空间成本越小，哈希函数计算结果越分散均匀；

从 HashMap 的默认构造函数源码可知，构造函数就是对下面几个字段进行初始化。

int threshold;             // 最大node结点（键值对）容量，threshold = CAPACITY * LoadFactor，超过这个数目就重新resize(扩容)，扩容后的threshold是之前的两倍。
final float loadFactor;    // 加载因子(HashMap默认值是0.75，建议不要修改)
int modCount;              // 记录HashMap内部结构发生变化的次数，强调一点，内部结构发生变化指的是结构发生变化，例如put新键值对，但是某个key对应的value值被覆盖不属于结构变化。
int size,CAPACITY;      // CAPACITY是桶数组的容量（桶的多少）(默认值是16)，扩容后也是之前的两倍，size是HashMap中实际存在的键值对数量

• 负载因子越大（长度一定），最大结点容量越大，resize 次数越少，空间成本越小，map 的存取效率就会越高。
• 桶数组初始容量（长度）越大（加载因子一定），最大结点容量越大，resize 次数越少，空间成本越大，map的 存取效率就会越高。

这里存在一个问题，即使负载因子和哈希函数设计的再合理，也难免会出现拉链过长的情况，即桶内结点过多；

一旦出现拉链过长，则会严重影响 HashMap 的性能。于是在 JDK1.8 版本中，对数据结构做了进一步的优化，引入了红黑树，而当链表长度太长（默认超过8）时，链表就转换为红黑树，利用红黑树快速增删改查的特点提高 HashMap 的性能；

---

对于 HashMap，我们最常使用的是两个方法：Get() 和 Put()；

Put方法的原理

调用 put() 方法会发生了什么呢？其实上面已经提到过来，那这里就简单的介绍一下：

首先是输入键值对，hashmap.put("idiot",1)，这是会调用 hash() 函数来计算这个键值对（Entry）插入的位置，index = hash("idiot")，假定最后计算出的 index 是2，那么结果如下：

但是 HashMap 的长度是有限的，当插入的 Entry 越来越多时，再完美的 Hash 函数也难免会出 现index 冲突的情况。比如下面这样：

那该如何解决？利用链表来解决，将哈希值相同的键组成一个链表，每一个 Entry 对象通过 Next 指针指向它的下一个 Entry 节点，桶中装着每个链表的头结点。当新来的 Entry 映射到冲突的数组位置时，只需要插入到对应的链表即可：

需要注意的是，上图使用的是“头插法”，但 JDK1.8 的源码中使用的是“尾插法”；

源码解读

put() 方法返回了 putVal() 方法的值，那么接下来就探究 putVal() 方法：

/**
 * Implements Map.put and related methods.
 *
 * @param hash hash for key
 * @param key the key
 * @param value the value to put
 * @param onlyIfAbsent if true, don't change existing value
 * @param evict if false, the table is in creation mode.
 * @return previous value, or null if none
 */
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

注释已经解释了参数的意义，直接开始探究代码：

1、这里判断哈希表是否为空，然后进行一个扩容；

if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
    n = (tab = resize()).length;

resize() 就是初始化或者加倍哈希表的大小；

---

2、判断桶是否有该元素，没有的话实例化一个；

if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
    tab[i] = newNode(hash, key, value, null);

(n - 1) & hash 相当于对将 hash % n，根据 hash 得到桶的索引，

---

3、桶内存在元素，需要解决 hash 冲突；

3.1、桶内第一个元素的 key 值与新加入的键值对的 key 相同的时候，e 指向 p（仅仅指向）；

if (p.hash == hash &&
    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
    e = p;

3.2、如果元素已经树化，使用 putTreeVal() 方法加入元素，若存在相同的 key 的元素，则将引用返回；

else if (p instanceof TreeNode)
    e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);

3.3、遍历链表，使用尾插法插入元素，如果链表长度超过8（默认长度），则链表转换为红黑树；

else {
    //如果桶内是链表，则插入链表，这里使用尾插法
    for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
        if ((e = p.next) == null) {
            p.next = newNode(hash, key, value, null);
            if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                //bitCount大于树化的阈值，转化为红黑树
                treeifyBin(tab, hash);
            break;
        }
        if (e.hash == hash &&
            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            break;
        p = e;
    }
}

---

4、e != null 的时候，将 e.value 作为旧值进行返回；

if (e != null) { // existing mapping for key
    V oldValue = e.value;
    //putVal中的参数。若onlyIfAbsent为null或者oldValue为空时才替换，
    if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
        e.value = value;
    afterNodeAccess(e);
    return oldValue;
}

如果 e == null，则表示插入了新节点，在上面3.3的代码中表示过了；

---

5、当桶的容积不够时，使用 resize() 进行扩容；

if (++size > threshold)
    resize();

---

put() 方法主要就是上面的一些解读，接下来来探究 get() 方法；

Get方法的原理

使用 get() 方法根据 Key 来查找 Value 是怎么实现的呢？下面就简单介绍一下：

首先会把输入的 Key 做一次 Hash 映射，得到对应的index：index = hash("idiot")；

由于存在 Hash 冲突，因此同一个位置有可能匹配到多个 Entry，这时候就需要顺着对应链表的头节点，一个一个向下来查找。假设我们要查找的 Key 是 “idiot”：

第一步，我们查看的是头节点 Entry6，Entry6 的 Key 是 Syyyy，显然不是我们要找的结果。

第二步，我们查看的是 Next 节点 Entry1，Entry1 的 Key 是 idiot，正是我们要找的结果。

这里使用“头插法”是因为部分人认为后插入的 Entry 被查找的可能性更大，以此来提高查找效率。

源码解读

先看到的是 get() 方法，只有短短的两行代码：

/**
 * Returns the value to which the specified key is mapped,
 * or {@code null} if this map contains no mapping for the key.
 *
 * <p>More formally, if this map contains a mapping from a key
 * {@code k} to a value {@code v} such that {@code (key==null ? k==null :
 * key.equals(k))}, then this method returns {@code v}; otherwise
 * it returns {@code null}.  (There can be at most one such mapping.)
 *
 * <p>A return value of {@code null} does not <i>necessarily</i>
 * indicate that the map contains no mapping for the key; it's also
 * possible that the map explicitly maps the key to {@code null}.
 * The {@link #containsKey containsKey} operation may be used to
 * distinguish these two cases.
 *
 * @see #put(Object, Object)
 */
public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

其实注释已经很清楚的进行了解释，该方法要么返回节点的值 e.value，要么返回 null；但要注意的是，返回值为 null 并不一定表明映射不包含键的映射；也有可能映射显式地将键映射为 null 。可以使用 containsKey 操作来区分这两种情况；

接下来就来看看 getNode() 方法，跟 putVal() 方法其实是比较对称的，那就直接在代码中写注释了：

/**
 * Implements Map.get and related methods.
 *
 * @param hash hash for key
 * @param key the key
 * @return the node, or null if none
 */
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;

    //判断哈希表是否为空,头节点是否存在;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {

        //对比头节点,如果hash值相同且key相同(地址或内容),则返回该节点;
        if (first.hash == hash && // always check first node
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;

        //判断下一个节点是否存在
        if ((e = first.next) != null) {

            //判断是否链表是否树化,如果树化则遍历树节点来进行查找;
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);

            //不是树化则按照链表进行遍历;
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }

    //没有相符合的key,返回null值;
    return null;
}

顺带提一下刚刚注释里出现的 containsKey() 方法：

/**
 * Returns <tt>true</tt> if this map contains a mapping for the
 * specified key.
 *
 * @param   key   The key whose presence in this map is to be tested
 * @return <tt>true</tt> if this map contains a mapping for the specified
 * key.
 */
public boolean containsKey(Object key) {
    return getNode(hash(key), key) != null;
}

只要就是调用 getNode() 方法来获取键值对，如果没有找到返回 false，找到了就返回 ture；

补充

思考：为什么 HashMap 的初始长度默认为16，之后扩展也要是2的幂？

这主要是为了服务于从 KEY 映射到 index 的 Hash 算法，使其尽可能的均匀分布；

那是不是吧 KEY 的 HashCode 值和 HashMap 长度做取模运算？index = Key.hashCode() % Length；

错！取模运算的方式固然简单，但是效率太低，因此采用了位运算的方式，index = Key.hashCode() % (Length-1)；

下面以 “idiot” 为 KEY 演示整个过程：

1. 显示计算 idiot 的 hashCode，这里是 JDK1.8 版本的：

   String key = "idiot";
   System.out.println(key.hashCode());
   
   

   结果为100053267，转换成二进制就是101111101101011000100010011；

2. HashMap 长度是默认的16，计算 Length-1 的结果为15，转成二进制就是1111；

3. 把以上两个结果做与运算，101111101101011000100010011 & 1111 = 0011，十进制就是3，所以 index=3;

可以说 Hash 算法最终得到的 index 结果，完全取决于 Key 的 Hashcode 值的最后几位；

那这样子有什么好处呢？为什么长度必须是2的幂，如果长度是10会怎么样？

这样子做不但效果同等于取模，而且性能上还有大大的提升，接下来我们尝试一下长度为10会出现什么情况；

101111101101011000100010011 & 1001 = 0001，十进制就是1，所以 index=1；

这样咋一看好像没什么问题，但如果说现在把 hashCode 101111101101011000100010011 的最后四位从0011改成0110，结果还是一样的，还是 index=1，这说明当 HashMap 长度为10的时候，有些 index 结果的出现几率会更大，而有些 index 结果永远不会出现（比如0110，0111）！

反观长度16或者其他2的幂，Length-1 的值是所有二进制位全为1，这种情况下，index 的结果等同于 HashCode 后几位的值。只要输入的 HashCode 本身分布均匀，Hash 算法的结果就是均匀的。

高并发下的HashMap

先简单讲讲单线程下的 HashMap；

HashMap 的容量是有限的，当经过多次元素插入，使得 HashMap 达到一定饱和度时，Key 映射位置发生冲突的几率会逐渐提高。

这时候，HashMap 需要扩展它的长度，也就是进行 Resize()；

影响因素

影响发生 Resize() 的因素有两个：

1. Capacity

   HashMap 的当前长度，2的幂，static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4;；

2. LoadFactor

   HashMap 负载因子，默认值为 0.75f，static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;；

衡量 HashMap 是否进行 Resize() 的条件如下：

HashMap.Size >= Capacity * LoadFactor;

当然 Resize() 并不是简单地把长度扩大了，而是经过了以下两个步骤：

1. 扩容

   创建一个新的 Entry 空数组，长度是原数组的2倍；

2. ReHash

   遍历原 Entry 数组，把所有的 Entry 重新 Hash 到新数组。

为什么要重新 Hash 呢？因为长度扩大以后，Hash 的规则也随之改变；

回顾一下 Hash 公式： index = Key.hashCode() & (Length - 1)；

当原数组长度为8时，Hash 运算是和111B做与运算；新数组长度为16，Hash 运算是和1111B做与运算；Hash结果显然不同；

Resize 前的 HashMap： Resize 后的 HashMap：

这是一个扩容机制：

/**
 * Transfers all entries from current table to newTable.
 */
void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
    int newCapacity = newTable.length;
    for (Entry<K,V> e : table) {
        while(null != e) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (rehash) {
                e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
            }
            int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
            e.next = newTable[i];
            newTable[i] = e;
            e = next;
        }
    }
}

理论推导

在单线程下执行时是毫无问题的，但如果是多线程，就会出现问题：

1. 假设一个 HashMap 已经到了 Resize 的临界点。此时有两个线程A和B，在同一时刻对 HashMap 进行 Put 操作：
   

2. 此时达到 Resize 条件，两个线程各自进行 Rezie 的第一步，也就是扩容：

3. 这时候，两个线程都走到了 ReHash 的步骤。让我们回顾一下 ReHash 的代码：

4. 假如此时线程B遍历到 Entry3 对象，刚执行完红框里的这行代码，线程就被挂起。对于线程B来说：

   e = Entry3
   next = Entry2
   
   

5. 这时候线程A畅通无阻地进行着 Rehash，当 ReHash 完成后，结果如下（图中的 e 和 next，代表线程B的两个引用）：

6. 直到这一步，看起来没什么毛病。接下来线程B恢复，继续执行属于它自己的 ReHash。线程B刚才的状态是：

   e = Entry3
   next = Entry2
   
   

当执行到上面这一行时，显然 `i = 3`，因为刚才线程A对于 Entry3 的 hash 结果也是3。

7.我们继续执行到这两行，Entry3 放入了线程B的数组下标为3的位置，并且 e 指向了 Entry2。此时 e 和 next 的指向如下：

```
e = Entry2
next = Entry2

```

8. 接着是新一轮循环，又执行到红框内的代码行：

```
e = Entry2
next = Entry3

```

9. 接下来执行下面的三行，用头插法把 Entry2 插入到了线程B的数组的头结点：
   

10. 第三次循环开始，又执行到红框的代码：

```
e = Entry3
next = Entry3.next = null

```

11. 最后一步，当我们执行下面这一行的时候，见证奇迹的时刻来临了：

```
newTable[i] = Entry2
e = Entry3
Entry2.next = Entry3
Entry3.next = Entry2

```

此时，问题还没有直接产生。当调用 Ge t查找一个不存在的 Key，而这个 Key 的 Hash 结果恰好等于3的时候，由于位置3带有环形链表，所以程序将会进入**死循环**！

那该如何避免这种问题？

在高并发的场景下，通常采用另一个集合类 ConcurrentHashMap，这个集合类兼顾了线程安全和性能，接下来就讲讲 ConcurrentHashMap；

什么是ConcurrentHashMap？

上阶段高并发下的HashMap提到看似完美的 HashMap 在高并发的情况下并不理想，会出现环形链表，换句话说就是进入死循环，那该如何避免 HashMap 的线程安全问题？

可以考虑改用 HashTable 或者 Collections.synchronizedMap，看到 synchronized 是不是非常熟悉，没错这两者就是用了锁来确保安全

但是这样子确保安全的话，就会影响性能，无论读操作还是写操作，它们都会给整个集合加锁，导致同一时间的其他操作阻塞，如下图所示：

在并发环境下，如何能够兼顾线程安全和运行效率呢？这时候 ConcurrentHashMap 就应运而生了；

理论介绍

ConcurrentHashMap 最关键的就是理解一个概念 Segment；

Segment 是什么呢？Segment 本身就相当于一个 HashMap 对象。流行于 JDK 1.6-1.7，在 JDK1.8 中被弃用了，改换成 CAS+Synchronized；

同 HashMap 一样，Segment 包含一个 HashEntry 数组，数组中的每一个 HashEntry 既是一个键值对，也是一个链表的头节点。

单一的 Segment 结构如下：

像这样的 Segment 对象，在 ConcurrentHashMap 集合中有多少个呢？有2ⁿ个，共同保存在一个名为 segments 的数组当中。

因此整个 ConcurrentHashMap 的结构如下：

可以说，ConcurrentHashMap 是一个二级哈希表。在一个总的哈希表下面，有若干个子哈希表。这样的二级结构，和数据库的水平拆分有些相似。

那 ConcurrentHashMap 这样设计有什么好处呢？

ConcurrentHashMap 优势就是采用了锁分段技术，每一个 Segment 就好比一个自治区，读写操作高度自治，Segment 之间互不影响；

情景复现

Case1：不同 Segment 的并发写入；

Case2：同一 Segment 的一写一读；

同一 Segment 的写和读是可以并发执行的。

Case3：同一 Segment 的并发写入

Segment 的写入是需要上锁的，因此对同一 Segment 的并发写入会被阻塞。

由此可见，ConcurrentHashMap 当中每个 Segment 各自持有一把锁。在保证线程安全的同时降低了锁的粒度，让并发操作效率更高。

源码解读

下述两方法的源码为 JDK1.7 版本；

Get方法

1、为输入的 Key 做 Hash 运算，得到 hash 值。； 2、通过 hash 值，定位到对应的 Segment 对象； 3、再次通过 hash 值，定位到 Segment 当中数组的具体位置；

//获取某个具体的value值
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

Put方法

1、为输入的 Key 做 Hash 运算，得到 hash 值； 2、通过 hash 值，定位到对应的 Segment 对象； 3、获取可重入锁； 4、再次通过 hash 值，定位到 Segment 当中数组的具体位置； 5、插入或覆盖 HashEntry 对象； 6、释放锁；

//向map中添加一个key-value键值对
@SuppressWarnings("unchecked")
public V put(K key, V value) {
    Segment<K,V> s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    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);
}

从上述两个方法的源码中可以看出，ConcurrentHashMap 在读写时需要二次定位，首先定位到 Segment，之后定位到 Segment内的具体数组下标；

Size方法

既然每一个 Segment 都在各自加锁，那么在调用 Size 方法的时候，怎么解决一致性问题呢？

Size 方法的目的是统计 ConcurrentHashMap 的总元素数量， 自然需要把各个 Segment 内部的元素数量汇总起来。

但是，如果在统计 Segment 元素数量的过程中，已统计过的 Segment 瞬间插入新的元素，这时候该怎么办呢？

接下来探究一下 ConcurrentHashMap 的 size 工作原理：

1. 遍历所有的 Segment。
2. 把 Segment 的元素数量累加起来。
3. 把 Segment 的修改次数累加起来。
4. 判断所有 Segment 的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。如果大于，说明统计过程中有修改，重新统计，尝试次数 +1；如果不是。说明没有修改，统计结束。
5. 如果尝试次数超过阈值，则对每一个 Segment 加锁，再重新统计。
6. 再次判断所有 Segment 的总修改次数是否大于上一次的总修改次数。由于已经加锁，次数一定和上次相等。
7. 释放锁，统计结束。

//获取map的大小
public int size() {
    // Try a few times to get accurate count. On failure due to
    // continuous async changes in table, resort to locking.
    final Segment<K,V>[] segments = this.segments;
    int size;
    boolean overflow; // true if size overflows 32 bits
    long sum;         // sum of modCounts
    long last = 0L;   // previous sum
    int retries = -1; // first iteration isn't retry
    try {
        for (;;) {
            if (retries++ == RETRIES_BEFORE_LOCK) {
                for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                    ensureSegment(j).lock(); // force creation
            }
            sum = 0L;
            size = 0;
            overflow = false;
            for (int j = 0; j < segments.length; ++j) {
                Segment<K,V> seg = segmentAt(segments, j);
                if (seg != null) {
                    sum += seg.modCount;
                    int c = seg.count;
                    if (c < 0 || (size += c) < 0)
                        overflow = true;
                }
            }
            if (sum == last)
                break;
            last = sum;
        }
    } finally {
        if (retries > RETRIES_BEFORE_LOCK) {
            for (int j = 0; j < segments.length; ++j)
                segmentAt(segments, j).unlock();
        }
    }
    return overflow ? Integer.MAX_VALUE : size;
}

为什么这样设计呢？这种思想和乐观锁悲观锁的思想如出一辙。

为了尽量不锁住所有 Segment，首先乐观地假设 Size 过程中不会有修改。当尝试一定次数，才无奈转为悲观锁，锁住所有 Segment 保证强一致性。

后记

这些就是全部内容了，以上内容较为深奥，建议收藏，反复观看！