简单来说， ConcurrentHashMap 是一个 Segment 数组， Segment 通过继承ReentrantLock 来进行加锁，所以每次需要加锁的操作锁住的是一个 segment，这样只要保证每个 Segment 是线程安全的，也就实现了全局的线程安全。
JDK1.7
jdk1.7中采用Segment + HashEntry的方式进行实现，结构如下：
concurrentHashMap1.7.png
ConcurrentHashMap初始化时，计算出Segment数组的大小ssize和每个Segment中HashEntry数组的大小cap，并初始化Segment数组的第一个元素；其中ssize大小为2的幂次方，默认为16，cap大小也是2的幂次方，最小值为2，最终结果根据根据初始化容量initialCapacity进行计算，计算过程如下：
int c = initialCapacity / ssize;
if (c * ssize < initialCapacity)
++c;
int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
while (cap < c)
cap <<= 1;
ssize是Segment数组的大小，c是当前初始容量和Segment数组长度下的最小容量，再经过位运算，得到是2的次方幂的cap的大小，cap即为HashEntry数组的大小。
其中Segment在实现上继承了ReentrantLock，这样就自带了锁的功能。
static final class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
...
}
put方法：
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，实现如下：
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);
}
计算当前元素在Segment数组中的下标
int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
当执行put操作时，会进行第一次key的hash来定位Segment的位置，如果该Segment还没有初始化，即通过CAS操作进行赋值，然后进行第二次hash操作，找到相应的HashEntry的位置，这里会利用继承过来的锁的特性，在将数据插入指定的HashEntry位置时（链表的尾端），会通过继承ReentrantLock的tryLock（）方法尝试去获取锁，如果获取成功就直接插入相应的位置，如果已经有线程获取该Segment的锁，那当前线程会以自旋的方式去继续的调用tryLock（）方法去获取锁，超过指定次数就挂起，等待唤醒。
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；
size实现
因为ConcurrentHashMap是可以并发插入数据的，所以在准确计算元素时存在一定的难度，一般的思路是统计每个Segment对象中的元素个数，然后进行累加，但是这种方式计算出来的结果并不一样的准确的，因为在计算后面几个Segment的元素个数时，已经计算过的Segment同时可能有数据的插入或则删除，在1.7的实现中，采用了如下方式
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();
}
}
先采用不加锁的方式，连续计算元素的个数，最多计算3次：
1、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；
2、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；
ConcurrentHashMap1.7的时候底层用的是一个Segment数组，每个Segment对象下面又有一个被volatile关键字修饰的HashEntry数组。在调用构造方法进行初始化的时候，会先根据Segment数组的大小和初始化容量计算出每个HashEntry数组的大小，默认情况下Segment数组的长度为16，HashEntry数组的长度为2。在调用put方法的时候，首先会根据key值计算出hash值，再根据hash值计算出对应Segment数组的索引，然后去判断Segment数组这个位置上是否存在对象。如果不存在对象，那么就需要去生成一个Segment对象。这里ConcurrentHashMap没有加锁但却保证了线程安全。它采用的是CAS的思想，不断的去判断这个位置上的对象是否为空，如果为空则生成一个Segment对象，如果不为空，那么就返回这个Segment对象就可以了。然后就可以去调用Segment对象的put方法了。Segment对象它是继承自ReentrantLock的，所以它是有一些锁的特性的，可以去tryloock、lock、unlock。在put方法里面，它是先去trylock了一下，trylock是一种非阻塞的获取锁，就是如果获取到锁了那就获取到了，如果获取不到的话我不阻塞，而是直接返回一个false。ConcurrentHashMap就是这样，如果第一次没有获取到锁的话，那么就会用自旋锁的思想，不断的尝试去trylock，直到超过最大重试次数。这个最大重试次数是根据你的处理器核数来确定的，单核CPU的最大重试次数只有1，而多核CPU的重试次数有64。超过了最大重试次数之后，它就不会不断去trylock了，而是直接lock，用这种阻塞式的获取锁，等待其他线程释放锁之后，我再去获取锁，去进行元素的赋值操作。还有一点就是，ConcurrentHashMap对于元素的操作其实和HashMap很像，它也是数组加链表的形式，它同样也允许key值重复进行覆盖。
JDK 1.8
改进一：取消segments字段，直接采用transient volatile HashEntry<K,V>[] table保存数据，采用table数组元素作为锁，从而实现了对每一行数据进行加锁，进一步减少并发冲突的概率。
改进二：将原先table数组＋单向链表的数据结构，变更为table数组＋单向链表＋红黑树的结构。对于hash表来说，最核心的能力在于将key hash之后能均匀的分布在数组中。如果hash之后散列的很均匀，那么table数组中的每个队列长度主要为0或者1。但实际情况并非总是如此理想，虽然ConcurrentHashMap类默认的加载因子为0.75，但是在数据量过大或者运气不佳的情况下，还是会存在一些队列长度过长的情况，如果还是采用单向列表方式，那么查询某个节点的时间复杂度为O(n)；因此，对于个数超过8(默认值)的列表，jdk1.8中采用了红黑树的结构，那么查询的时间复杂度可以降低到O(logN)，可以改进性能。
去除 Segment + HashEntry + Unsafe 的实现，
改为 Synchronized + CAS + Node + Unsafe 的实现
其实 Node 和 HashEntry 的内容一样，但是HashEntry是一个内部类。
用 Synchronized + CAS 代替 Segment ，这样锁的粒度更小了，并且不是每次都要加锁了，CAS尝试失败了在加锁。
1.8中放弃了Segment臃肿的设计，取而代之的是采用Node + CAS + Synchronized来保证并发安全进行实现，结构如下：
concurrentHashMap1.8.png
Node是ConcurrentHashMap存储结构的基本单元，就是一个链表，但是只允许对数据进行查找，不允许进行修改。
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
volatile V val;
volatile Node<K,V> next;
...
}
TreeNode继承与Node，但是数据结构换成了二叉树结构，它是红黑树的数据的存储结构，用于红黑树中存储数据，当链表的节点数大于8时会转换成红黑树的结构。
static final class TreeNode<K,V> extends Node<K,V> {
TreeNode<K,V> parent; // red-black tree links
TreeNode<K,V> left;
TreeNode<K,V> right;
TreeNode<K,V> prev; // needed to unlink next upon deletion
boolean red;
...
}
put方法：
public V put(K key, V value) {
return putVal(key, value, false);
}
/** Implementation for put and putIfAbsent */
final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
int hash = spread(key.hashCode()); //两次hash，减少hash冲突，可以均匀分布
int binCount = 0;
for (Node<K,V>[] tab = table;;) { //对这个table进行迭代
Node<K,V> f; int n, i, fh;
//这里就是上面构造方法没有进行初始化，在这里进行判断，为null就调用initTable进行初始化，属于懒汉模式初始化
if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
tab = initTable();
else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {//如果i位置没有数据，就直接无锁插入
if (casTabAt(tab, i, null,
new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
break; // no lock when adding to empty bin
}
else if ((fh = f.hash) == MOVED)//如果在进行扩容，则先进行扩容操作
tab = helpTransfer(tab, f);
else {
V oldVal = null;
//如果以上条件都不满足，那就要进行加锁操作，也就是存在hash冲突，锁住链表或者红黑树的头结点
synchronized (f) {
if (tabAt(tab, i) == f) {
if (fh >= 0) { //表示该节点是链表结构
binCount = 1;
for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
K ek;
//这里涉及到相同的key进行put就会覆盖原先的value
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) { //插入链表尾部
pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
value, null);
break;
}
}
}
else if (f instanceof TreeBin) {//红黑树结构
Node<K,V> p;
binCount = 2;
//红黑树结构旋转插入
if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
value)) != null) {
oldVal = p.val;
if (!onlyIfAbsent)
p.val = value;
}
}
}
}
if (binCount != 0) { //如果链表的长度大于8时就会进行红黑树的转换
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
treeifyBin(tab, i);
if (oldVal != null)
return oldVal;
break;
}
}
}
addCount(1L, binCount);//统计size，并且检查是否需要扩容
return null;
}
- 如果没有初始化就先调用initTable（）方法来进行初始化过程。
- 如果没有hash冲突就直接CAS插入。
- 如果还在进行扩容操作就先进行扩容。
- 如果存在hash冲突，就加锁来保证线程安全，这里有两种情况，一种是链表形式就直接遍历到尾端插入，一种是红黑树就按照红黑树结构插入，。
- 最后一个如果该链表的数量大于阈值8，就要先转换成红黑树的结构，break再一次进入循环。
- 如果添加成功就调用addCount（）方法统计size，并且检查是否需要扩容。
resize方法
1.8中使用一个volatile类型的变量baseCount记录元素的个数，当插入新数据或则删除数据时，会通过addCount()方法更新baseCount，实现如下：
if ((as = counterCells) != null ||
!U.compareAndSwapLong(this, BASECOUNT, b = baseCount, s = b + x)) {
CounterCell a; long v; int m;
boolean uncontended = true;
if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
(a = as[ThreadLocalRandom.getProbe() & m]) == null ||
!(uncontended =
U.compareAndSwapLong(a, CELLVALUE, v = a.value, v + x))) {
fullAddCount(x, uncontended);
return;
}
if (check <= 1)
return;
s = sumCount();
}
支持并发扩容，HashMap扩容在1.8中由头插改为尾插（为了避免死循环问题），ConcurrentHashmap也是，迁移也是从尾部开始，扩容前在桶的头部放置一个hash值为-1的节点，这样别的线程访问时就能判断是否该桶已经被其他线程处理过了。
size方法
public int size() {
long n = sumCount();
return ((n < 0L) ? 0 :
(n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
(int)n);
}
final long sumCount() {
CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a; //变化的数量
long sum = baseCount;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
在JDK1.8版本中，对于size的计算，在扩容和addCount()方法就已经有处理了，可以注意一下Put函数，里面就有addCount()函数，早就计算好的，然后你size的时候直接给你，JDK1.7是在调用size()方法才去计算。
参考：
https://blog.csdn.net/xingxiupaioxue/article/details/88062163
https://blog.csdn.net/u013374645/article/details/88700927
https://www.jianshu.com/p/e694f1e868ec
网友评论