HashMap存在的问题：
HashMap线程不安全
因为多线程环境下，使用Hashmap进行put操作可能会引起死循环，导致CPU利用率接近100%，所以在并发情况下不能使用HashMap。例如如下代码：
final HashMap<String, String> map = new HashMap<String, String>(2);
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
map.put(UUID.randomUUID().toString(), "");
}
}).start();
}
Hashtable线程安全但效率低下
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。
解决
分段锁
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。
ConcurrentHashMap
JDK1.8的实现已经抛弃了Segment分段锁机制，利用CAS+Synchronized来保证并发更新的安全。数据结构采用：数组+链表+红黑树。
ConcurrentHashMap in JDK1.8
话不多说，还是看源码吧：
构造：
//构造方法
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity) {
if (initialCapacity < 0)//判断参数是否合法
throw new IllegalArgumentException();
int cap = ((initialCapacity >= (MAXIMUM_CAPACITY >>> 1)) ?
MAXIMUM_CAPACITY ://最大为2^30
tableSizeFor(initialCapacity + (initialCapacity >>> 1) + 1));//根据参数调整table的大小
this.sizeCtl = cap;//获取容量
//ConcurrentHashMap在构造函数中只会初始化sizeCtl值，并不会直接初始化table
}
//调整table的大小
private static final int tableSizeFor(int c) {//返回一个大于输入参数且最小的为2的n次幂的数。
int n = c - 1;
n |= n >>> 1;
n |= n >>> 2;
n |= n >>> 4;
n |= n >>> 8;
n |= n >>> 16;
return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}
tableSizeFor(int c)的原理：将c最高位以下通过|=运算全部变成1，最后返回的时候，返回n+1；
eg:当输入为25的时候，n等于24，转成二进制为1100，右移1位为0110，将1100与0110进行或("|")操作，得到1110。接下来右移两位得11，再进行或操作得1111，接下来操作n的值就不会变化了。最后返回的时候，返回n+1，也就是10000，十进制为32。按照这种逻辑得到2的n次幂的数。
那么为什么要先-1再+1呢？输入若是为0，那么不论怎么操作，n还是0，但是HashMap的容量只有大于0时才有意义。
table初始化：
table初始化操作会延缓到第一次put行为。但是put是可以并发执行的，那么是如何实现table只初始化一次的？接着上源码：
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)//判断table还未初始化
tab = initTable();//初始化table
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
...省略一部分源码
}
}
private final Node<K,V>[] initTable() {
Node<K,V>[] tab; int sc;
while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
//如果一个线程发现sizeCtl<0，意味着另外的线程执行CAS操作成功，当前线程只需要让出cpu时间片，
//由于sizeCtl是volatile的，保证了顺序性和可见性
if ((sc = sizeCtl) < 0)//sc保存了sizeCtl的值
Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {//cas操作判断并置为-1
try {
if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;//DEFAULT_CAPACITY = 16，若没有参数则大小默认为16
@SuppressWarnings("unchecked")
Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
table = tab = nt;
sc = n - (n >>> 2);
}
} finally {
sizeCtl = sc;
}
break;
}
}
return tab;
}
put操作
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode());//哈希算法
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) {//无限循环，确保插入成功
Node<K,V> f; int n, i, fh; K fk; V fv;
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)//表为空或表长度为0
tab = initTable();//初始化表
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {//i = (n - 1) & hash为索引值，查找该元素，
//如果为null,说明第一次插入
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)//MOVED=-1;当前正在扩容，一起进行扩容操作
tab = helpTransfer(tab, f);
else if (onlyIfAbsent && fh == hash && // check first node
((fk = f.key) == key || fk != null && key.equals(fk)) &&
(fv = f.val) != null)
return fv;
else {
V oldVal = null;
synchronized (f) {//其他情况加锁同步
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) {
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
if (e.hash == hash &&
((ek = e.key) == key ||
(ek != null && key.equals(ek)))) {
oldVal = e.val;
if (!onlyIfAbsent)
e.val = value;
break;
}
Node<K,V> pred = e;
if ((e = e.next) == null) {
pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {
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;
}
}
else if (f instanceof ReservationNode)
throw new IllegalStateException("Recursive update");
}
}
if (binCount != 0) {
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);
return null;
}
//哈希算法
static final int spread(int h) {
return (h ^ (h >>> 16)) & HASH_BITS;
}
//保证拿到最新的数据
static final <K,V> Node<K,V> tabAt(Node<K,V>[] tab, int i) {
return (Node<K,V>)U.getObjectAcquire(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE);
}
//CAS操作插入节点，比较数组下标为i的节点是否为c，若是，用v交换，否则不操作。
//如果CAS成功，表示插入成功，结束循环进行addCount(1L, binCount)看是否需要扩容
static final <K,V> boolean casTabAt(Node<K,V>[] tab, int i,
Node<K,V> c, Node<K,V> v) {
return U.compareAndSetObject(tab, ((long)i << ASHIFT) + ABASE, c, v);
}
table扩容
当table容量不足的时候，即table的元素数量达到容量阈值sizeCtl，需要对table进行扩容。 整个扩容分为两部分：
- 构建一个nextTable，大小为table的两倍。
- 把table的数据复制到nextTable中。
这两个过程在单线程下实现很简单，但是ConcurrentHashMap是支持并发插入的，扩容操作自然也会有并发的出现，这种情况下，第二步可以支持节点的并发复制，这样性能自然提升不少，但实现的复杂度也上升了一个台阶。
继续上源码：
第一步，构建nextTable，毫无疑问，这个过程只能只有单个线程进行nextTable的初始化.
private final void addCount(long x, int check) {
... 省略部分代码
if (check >= 0) {
Node<K,V>[] tab, nt; int n, sc;
while (s >= (long)(sc = sizeCtl) && (tab = table) != null &&
(n = tab.length) < MAXIMUM_CAPACITY) {
int rs = resizeStamp(n);
if (sc < 0) {// sc < 0 表明此时有别的线程正在进行扩容
if ((sc >>> RESIZE_STAMP_SHIFT) != rs || sc == rs + 1 ||
sc == rs + MAX_RESIZERS || (nt = nextTable) == null ||
transferIndex <= 0)
break;
if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, sc + 1))
// 不满足前面5个条件时，尝试参与此次扩容，把正在执行transfer任务的线程数加1，+2代表有1个，+1代表有0个
transfer(tab, nt);
}
//试着让自己成为第一个执行transfer任务的线程
else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc,
(rs << RESIZE_STAMP_SHIFT) + 2))
transfer(tab, null);// 去执行transfer任务
s = sumCount();// 重新计数，判断是否需要开启下一轮扩容
}
}
}
节点从table移动到nextTable，大体思想是遍历、复制的过程。遍历过所有的节点以后就完成了复制工作，把table指向nextTable，并更新sizeCtl为新数组大小的0.75倍 ，扩容完成。
get操作
- 判断table是否为空，如果为空，直接返回null。
- 计算key的hash值，并获取指定table中指定位置的Node节点，通过遍历链表或则树结构找到对应的节点，返回value值。
源码：
public V get(Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
int h = spread(key.hashCode());
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
if ((eh = e.hash) == h) {
if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
return e.val;
}
else if (eh < 0)
return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
while ((e = e.next) != null) {
if (e.hash == h &&
((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
return e.val;
}
}
return null;
}
和HashTable的区别：
ConcurrentHashMap 是一个并发散列映射表，它允许完全并发的读取，并且支持给定数量的并发更新。
而HashTable和同步包装器包装的 HashMap，使用一个全局的锁来同步不同线程间的并发访问，同一时间点，只能有一个线程持有锁，也就是说在同一时间点，只能有一个线程能访问容器，这虽然保证多线程间的安全并发访问，但同时也导致对容器的访问变成串行化的了。
总结：
Hashtable的任何操作都会把整个表锁住，是阻塞的。好处是总能获取最实时的更新，比如说线程A调用putAll写入大量数据，期间线程B调用get，线程B就会被阻塞，直到线程A完成putAll，因此线程B肯定能获取到线程A写入的完整数据。坏处是所有调用都要排队，效率较低。
ConcurrentHashMap 是设计为非阻塞的。在更新时会局部锁住某部分数据，但不会把整个表都锁住。同步读取操作则是完全非阻塞的。好处是在保证合理的同步前提下，效率很高。坏处是严格来说读取操作不能保证反映最近的更新。例如线程A调用putAll写入大量数据，期间线程B调用get，则只能get到目前为止已经顺利插入的部分数据。
应该根据具体的应用场景选择合适的HashMap。
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